物理学家在镍基磁铁中发现不寻常的波

　　（左）在由两份镍、三份钼和八份氧制成的钼酸镍晶体中，镍离子同时受到四面体和八面体晶体环境的影响，并且离子在每个环境中被锁定在三角晶格中。（右）来自钼酸镍晶体中四面体位点的晶体电场自旋激子在布里渊区边界周围形成分散的扩散图案，可能是由于自旋纠缠和几何挫折。图像的左半部分和右半部分显示了这些模式的不同模型计算。来源：高斌莱斯大学
　　磁体中的扰动电子自旋通常会导致称为自旋波的激发，这些激发波纹穿过磁体，就像被鹅卵石撞击的池塘上的波浪一样。在一项新的研究中，莱斯大学的物理学家和他们的合作者发现了截然不同的激发，称为自旋激子，也可以作为相干波通过镍基磁铁涟漪。
　　在《自然通讯》上发表的一项研究中，研究人员报告说，在钼酸镍（一种层状磁性晶体）中发现了不寻常的特性。称为电子的亚原子粒子类似于微小的磁铁，它们通常像罗盘针一样相对于磁场定向。在中子从晶体内的磁性镍离子散射的实验中，研究人员发现每个镍离子的最外层两个电子表现不同。两者没有像罗盘针那样对齐它们的自旋，而是在物理学家称之为自旋单重的现象中相互抵消。
　　这种物质根本不应该是磁铁，赖斯的PengchengDai说，他是该研究的通讯作者。如果中子散射出给定的镍离子，激发应该保持局部，而不是在样品中传播。
　　因此，戴和他的合作者感到惊讶的是，中子散射实验中的仪器检测到的不是一个，而是两个传播波家族，每个传播波的能量都截然不同。
　　为了了解波的起源，有必要深入研究磁性晶体的原子细节。例如，来自晶体中原子的电磁力可以与磁场竞争并影响相邻原子内的电子。这被称为晶体场效应，它可以迫使电子自旋沿着与磁场方向不同的方向定向。探测钼酸镍晶体中的晶体场效应需要额外的实验和对实验数据的理论解释。
　　实验小组和理论之间的合作对于描绘全貌和理解在这种化合物中观察到的不寻常的自旋激发至关重要，赖斯合著者EmiliaMorosan说。
　　Morosan的小组使用特定的热测量来探测晶体对温度变化的热响应。从这些实验中，研究人员得出结论，层状钼酸镍中发生了两种晶场环境，两者对镍离子的影响非常不同。
　　其中，场效应相当弱，对应于大约10开尔文的热能，该研究的共同作者AndriyNevidomskyy说，他是莱斯大学的理论物理学家，他帮助解释了实验数据。在低开尔文温度下，看到中子可以激发来自镍原子的磁自旋波，这些镍原子受到第一种类型的晶体场效应的影响，这也许并不奇怪。但最令人费解的是，它们来自受第二种类型的镍原子的影响。这些原子周围有氧的四面体排列，电场效应强近20倍，这意味着激发更难产生。
　　Nevidomskyy说，这可以理解为相应的镍离子上的自旋具有不同的质量。
　　这个类比是重型篮球与网球混合在一起，他说。为了激发第二种类型的旋转，即较重的篮球，必须通过在材料上照射更多能量的中子来施加更强的踢。
　　由此产生的对镍自旋的影响称为自旋激子，人们通常期望产生激子的踢效应仅限于单个原子。但实验的测量表明，篮球正在一致移动，产生了一种意想不到的波浪。更令人惊讶的是，这些波似乎在相对较高的温度下持续存在，晶体不再表现为磁铁。
　　来自加州大学圣巴巴拉分校的Nevidomskyy和理论家LeonBalents提供的解释是，较重的自旋激子类比中的篮球响应周围波动而摆动，较轻的磁激子类似的网球如果两种类型的球之间的相互作用足够强，较重的自旋激子参与类似于波的连贯运动。
　　特别有趣的是，戴说，两种镍原子各自形成一个三角形晶格，因此这个晶格内的磁相互作用是受挫的。
　　在三角晶格上的磁性中，挫折是指难以将所有磁矩相对于它们的三个直接最近的邻居进行反平行（上下）对齐。
　　理解磁性挫折在三角晶格中的作用是Dai和Nevidomskyy多年来一直在努力解决的长期挑战之一。
　　找到一个谜题，违背自己的期望，然后感到一种了解其起源的满足感，这是非常令人兴奋的，Nevidomskyy说。
　　Dai，Morosan和Nevidomskyy是RiceQuantumInitiative的成员。戴是山姆和海伦沃登物理学和天文学教授。莫罗桑是物理学、天文学和化学教授。涅维多姆斯基是物理学和天文学副教授。中子散射实验由戴斌和陈彤与橡树岭国家实验室的仪器科学家和卢瑟福阿普尔顿实验室的ISIS中子和介子源合作进行。Morosan小组的研究科学家ChienLungHuang进行了比热测量和分析。
　　更多信息：BinGao等人，单重基态系统中受挫三角形亚晶格的扩散激子带，NatureCommunications（2023）。DOI：10。1038s41467023376695
　　期刊信息：自然通讯