一种新晶体使得磁性以惊人方式扭曲

发表在《美国化学会志》上的研究结果表明，将两种化学组成几乎相同但晶体结构截然不同的材料混合，可以产生一种全新的结构。这种意想不到的杂化晶体表现出原始材料中均未出现过的磁性特性。

原子自旋如何产生磁性

磁性始于原子尺度。在磁性材料中，每个原子都像一个小条形磁铁，这源于一种称为原子自旋的属性。自旋可以被想象为一个小箭头，指示着原子磁场的方向。

当许多原子自旋排列一致，要么指向相同方向，要么指向相反方向时，它们就会产生我们熟悉的磁力，应用于计算机和智能手机等日常技术中。这种有序排列是传统磁体的典型特征。

佛罗里达州立大学的研究团队证明了他们的新材料行为非常不同。原子自旋并没有整齐地排列，而是组织成复杂的、重复的旋涡图案。这些被称为自旋织构的排列方式，强烈影响着材料对磁场的响应。

通过结构阻挫创造磁性旋涡

为了产生这些不寻常的效应，研究人员有意结合了两种化学上相似但结构上不匹配的化合物。每种化合物具有不同的晶体对称性，这意味着原子以不相容的方式排列。

当这些结构相遇时，没有一种排列能够完全占据主导地位。这种边界上的不稳定性创造了科学家所说的结构"阻挫"，即系统无法稳定在一个简单、稳定的模式中。

"我们认为，这种结构阻挫可能会转化为磁性阻挫，"该研究的共同作者、佛罗里达州立大学化学与生物化学系教授迈克尔·沙特鲁克说。"如果结构相互竞争，也许这会导致自旋扭曲。让我们寻找一些化学上非常接近但具有不同对称性的结构。"

该团队通过将一种由锰、钴和锗组成的化合物与另一种由锰、钴和砷组成的化合物混合来验证这个想法。锗和砷在元素周期表中相邻，使得化合物在化学上相似但结构上不同。

混合物冷却结晶后，研究人员检查了结果，并证实了他们所追求的漩涡状磁性图案的存在。这些摆线型自旋排列被称为斯格明子类自旋织构，是当前物理学和化学研究的一个主要焦点。

为了详细绘制磁性结构，该团队使用了在散裂中子源的TOPAZ仪器上收集的单晶中子衍射测量数据。这个美国能源部科学办公室的用户设施位于橡树岭国家实验室。

这些磁性图案为何重要

承载斯格明子类自旋织构的材料具有多个有前景的技术优势。一个潜在用途是用于下一代硬盘驱动器，在相同的物理空间内存储更多的信息。

斯格明子还可以用极少的能量进行移动，这可以显著降低电子设备的功耗。在拥有数千个处理器的大规模计算系统中，即使是微小的效率提升也能转化为电力和冷却方面的重大节约。

这项研究也可能有助于指导容错量子计算系统的发展。这些系统旨在保护脆弱的量子信息，并在存在错误和噪声的情况下持续可靠运行——这是量子信息处理的终极目标。

"利用来自TOPAZ的单晶中子衍射数据，以及我们LDRD项目的新数据缩减和机器学习工具，我们现在可以更有信心地解析非常复杂的磁性结构，"橡树岭国家实验室的杰出中子散射科学家王晓平说。"这种能力使我们从单纯发现不寻常的自旋织构，转向为未来的信息和量子技术有意设计和优化它们。"

设计而非寻找材料

早期关于斯格明子的许多工作涉及在已知材料中逐一搜寻并测试，以观察是否出现所需的磁性图案。

这项研究采用了更为审慎的方法。研究人员不是寻找现有的例子，而是从头开始设计一种新材料，以结构阻挫为指导原则来创造特定的磁性行为。

"这是化学思维，因为我们在思考这些结构之间的平衡如何影响它们及其相互关系，然后它如何可能转化为原子自旋之间的关系，"沙特鲁克说。

通过理解支配这些图案的基本规则，科学家们最终或许能够在制造材料之前预测复杂的自旋织构将在何处形成。

"我们的想法是能够预测这些复杂的自旋织构将在何处出现，"该研究的共同作者、沙特鲁克实验室的研究生伊恩·坎贝尔说。"传统上，物理学家会寻找已经表现出他们所寻求对称性的已知材料，并测量其性质。但这限制了可能性的范围。我们正在努力发展一种预测能力，能够说，‘如果我们把这两样东西加在一起，我们将形成一种具有这些理想特性的全新材料。’"

这种策略还可以通过扩展可用成分的范围，使未来的技术更加实用。这种灵活性可能使研究人员更容易生长晶体、降低成本，并加强先进磁性材料的供应链。

在橡树岭国家实验室的研究经历

坎贝尔在佛罗里达州立大学奖学金的支持下，在橡树岭国家实验室完成了部分研究。

"那段经历对这项研究至关重要，"他说。"在橡树岭工作使我能够与那里的科学家建立联系，并利用他们的专业知识帮助我们解决完成这项研究必须应对的一些问题。"

自1951年以来，佛罗里达州立大学一直是橡树岭联合大学的发起成员，也是该国家实验室的核心大学合作伙伴。通过这种伙伴关系，佛罗里达州立大学的教职员工、博士后研究员和研究生可以使用橡树岭国家实验室的设施并与实验室的科学家合作。

合作与资助

该研究的其他共同作者包括：佛罗里达州立大学化学与生物化学系的王轶旭、扎卡里·P·特纳、朱迪思·K·克拉克和雅克内尔·格拉特罗尔；欧洲同步辐射装置的安德烈·罗加列夫和法布里斯·威廉；北京科技大学的张虎和龙毅；亚琛工业大学的理查德·德龙肖夫斯基；以及橡树岭国家实验室的王晓平。

这项研究得到了美国国家科学基金会的支持，并在佛罗里达州立大学和橡树岭国家实验室的设施中完成。