蘇黎世聯邦理工學院科學家發現一種新的磁性形式
蘇黎世聯邦理工學院的科學家發現了一種新型磁性。實驗表明,人工製造的材料透過一種前所未見的機制變得具有磁性。當材料中所有電子的自旋都指向同一個方向時,就會產生所謂的鐵磁性。但也有其他形式的磁性,如順磁性,這是電子自旋指向隨機方向時產生的一種較弱的磁性。
在這項新研究中,ETH 的科學家發現了一種奇特的新磁性形式。研究人員正在探索摩爾材料的磁性能,這種實驗材料是由二硒化鉬和二硫化鎢的二維薄片堆疊而成的。這些材料具有可包含電子的晶格結構。
為了弄清楚這些摩爾材料具有何種磁性,研究小組首先透過施加電流並穩定地增加電壓,將電子”注入”這些材料中。然後,為了測量材料的磁性,他們用雷射照射材料,測量不同極化時光線的反射強度,從而揭示電子自旋是指向同一方向(表示鐵磁性)還是隨機方向(表示順磁性)。
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新研究中的材料一開始具有順磁性(左),當電子(藍球)的自旋全部指向隨機方向時,就會產生順磁性。一段時間後,材料表現出動能鐵磁性(右圖),電子配對成雙子(紅球),雙子透過將電子自旋全部對齊來填充晶格。
這種材料最初表現出順磁性,但當研究小組向晶格中添加更多電子時,它突然發生了意想不到的變化,變成了鐵磁性。耐人尋味的是,這種轉變恰恰發生在晶格填滿後每個晶格位點只有一個電子的時候,這就排除了交換相互作用–驅動鐵磁性的通常機制。
該研究的第一作者阿塔奇-伊馬莫魯(Ataç Imamoğlu)說:”這是一種新型磁性的驚人證據,無法用交換相互作用來解釋。”
研究小組提出了一種不同的機制:當一個以上的電子進入晶格位點時,它們會配對成稱為”雙子”的粒子,最終透過量子隧道填充整個晶格。然而,當它們這樣做時,電子將最大限度地減少其動能,它們透過對齊自旋來做到這一點,因此產生了鐵磁性。這種”動能磁性”在理論上已經被預測了幾十年,但以前在固體材料中卻沒有觀察到。
研究人員計劃對這一現象進行更深入的研究,包括是否能在更高溫度下實現這一現象。畢竟,在這項實驗中,材料必須冷卻到絕對零度以上。
這項研究發表在《自然》雜誌。