在原子級(jí)厚度的半導(dǎo)體中，一種在任何自然物質(zhì)中都未曾見(jiàn)過(guò)的機(jī)制會(huì)導(dǎo)致電子自旋對(duì)齊。

你接觸過(guò)的所有磁鐵，比如粘貼在冰箱門上的冰箱貼，帶有磁性的原因都是相同的。但如果存在另一種更為奇異的方法來(lái)使材料帶有磁性，那又將如何呢？

在1966年，日本物理學(xué)家長(zhǎng)岡洋介（Yosuke Nagaoka）設(shè)想了一種磁性，這種磁性由假想材料內(nèi)部電子看似不自然的舞蹈產(chǎn)生。如今，一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)在一種僅有六個(gè)原子厚的工程材料中觀察到了一種長(zhǎng)岡預(yù)測(cè)的磁性現(xiàn)象。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《自然》雜志上，它標(biāo)志著五十年來(lái)搜尋長(zhǎng)岡鐵磁性的最新進(jìn)展。與傳統(tǒng)磁鐵不同，這種材料通過(guò)最小化其內(nèi)部電子的動(dòng)能而磁化?！斑@就是我從事這類研究的原因：我能學(xué)到我們以前不知道的東西，看到我們之前未曾見(jiàn)過(guò)的事物?！痹撗芯空撐牡墓餐髡呃S奧 · 西奧西亞羅（LivioCiorciaro）說(shuō)道。他在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院量子電子研究所讀博期間完成了這項(xiàng)工作。

早在2020年，研究人員就在一個(gè)僅包含三個(gè)電子的微小系統(tǒng)中創(chuàng)造了長(zhǎng)岡鐵磁性，那是可能發(fā)生該現(xiàn)象的最小系統(tǒng)之一。在這項(xiàng)新研究中，西奧西亞羅和同事則在一個(gè)延展系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了同樣的結(jié)果，該系統(tǒng)是一種被稱為莫爾晶格的特定結(jié)構(gòu)，由兩片納米薄板組成。

這項(xiàng)研究“是對(duì)這些莫爾晶格的一項(xiàng)非?？岬膽?yīng)用，思路相對(duì)新穎”。2020 年那項(xiàng)研究的共同作者胡安 · 巴勃羅 · 德霍蘭（Juan Pablo Dehollain，他在代爾夫特理工大學(xué)完成了那項(xiàng)工作）說(shuō)道：“它以一種不同的方式審視了這種鐵磁性?！?/p>

當(dāng)你的平行自旋產(chǎn)生了磁場(chǎng)

傳統(tǒng)鐵磁性的產(chǎn)生原因是電子彼此之間并不相互喜歡，因此它們不想相遇。

想象兩個(gè)電子彼此相鄰。它們會(huì)因?yàn)槎紟в胸?fù)電荷而相互排斥。它們的最低能態(tài)會(huì)使它們彼此遠(yuǎn)離。而系統(tǒng)通常會(huì)處于它們的最低能態(tài)。

根據(jù)量子力學(xué)，電子還有一些其他關(guān)鍵的特性。首先，它們表現(xiàn)得不像單個(gè)粒子，而更像概率云。其次，它們具有一種被稱為自旋的量子特性，這有點(diǎn)類似內(nèi)部磁鐵，可以指向上或指向下。最后，兩個(gè)電子不能處于同一量子態(tài)。

因此，具有相同自旋的電子確實(shí)會(huì)想要彼此遠(yuǎn)離——如果它們處于相同位置、具有相同自旋，它們之間就會(huì)存在占據(jù)相同量子態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。具有平行自旋的重疊電子的間距會(huì)比其他情況下要稍遠(yuǎn)一些。

當(dāng)存在外部磁場(chǎng)時(shí)，這種現(xiàn)象可能強(qiáng)大到足以誘使電子自旋像小條形磁鐵一樣排列起來(lái)，從而在材料內(nèi)部創(chuàng)造一個(gè)宏觀磁場(chǎng)。在鐵等金屬中，這些被稱為交換相互作用的電子相互作用非常強(qiáng)大，只要金屬不被過(guò)度加熱，感應(yīng)磁化就會(huì)是永久性的。

“我們?nèi)粘Ｉ钪兄源嬖诖判?，是因?yàn)殡娮咏粨Q相互作用很強(qiáng)?！毖芯空撐牡墓餐髡?、同樣來(lái)自量子電子研究所的物理學(xué)家阿塔克 · 伊瑪莫格魯（Ata?Imamo?lu）說(shuō)。

阿塔克·伊瑪莫格魯和他的同事猜測(cè)他們新合成的材料可能會(huì)表現(xiàn)出一些奇怪的磁屬性，但他們并不確切地知道會(huì)發(fā)現(xiàn)什么

然而，正如長(zhǎng)岡在20世紀(jì)60年代猜想的那樣，交換相互作用可能不是使材料磁化的唯一方式。長(zhǎng)岡構(gòu)思了一種正方形二維晶格，晶格上的每個(gè)格點(diǎn)處均只有一個(gè)電子。然后他計(jì)算出了在某些特定條件下移除其中一個(gè)電子后會(huì)發(fā)生什么。當(dāng)晶格中剩余的電子發(fā)生相互作用時(shí)，缺失電子的孔洞會(huì)在晶格上四處移動(dòng)。

在長(zhǎng)岡設(shè)想的場(chǎng)景中，當(dāng)電子自旋全部對(duì)齊時(shí)，晶格的整體能量將處于最低。每個(gè)電子配置看起來(lái)都一樣，就好像電子是世界上最無(wú)聊的滑動(dòng)拼圖游戲中相同的棋子一樣。反過(guò)來(lái)，這些平行自旋又會(huì)使材料表現(xiàn)出鐵磁性。

當(dāng)兩個(gè)帶有扭轉(zhuǎn)的網(wǎng)格形成圖樣時(shí)

伊瑪莫格魯和他的同事有一個(gè)預(yù)感，他們可以利用單層原子片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)將這些原子片堆疊在一起形成復(fù)雜的莫爾圖樣來(lái)制造長(zhǎng)岡鐵磁性。在原子級(jí)的薄層材料中，莫爾圖樣可以從根本上改變電子乃至材料的行為。例如，在2018年，物理學(xué)家帕布羅 · 賈里洛-赫雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）和他的同事證實(shí)，當(dāng)用扭轉(zhuǎn)使兩層石墨烯發(fā)生偏移時(shí)，雙層堆疊的石墨烯獲得了超導(dǎo)能力。

自此，莫爾材料與超冷原子云和銅氧化物等復(fù)雜材料并列，成為一種引人注目的、研究磁性的新系統(tǒng)?！澳獱柌牧蠟槲覀兲峁┝艘粋€(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，用于合成和研究電子的多體狀態(tài)?！币连斈耵斦f(shuō)。

研究人員從合成由二硒化鉬和二硫化鎢組成的單層半導(dǎo)體制成的材料開(kāi)始，過(guò)去的模擬研究表明這類材料可能會(huì)表現(xiàn)出長(zhǎng)岡鐵磁性。然后，他們向莫爾材料施加不同強(qiáng)度的弱磁場(chǎng)，同時(shí)記錄材料中的電子自旋有多少與磁場(chǎng)對(duì)齊。

隨后，研究人員對(duì)材料施加了不同的電壓以改變莫爾晶格中電子的數(shù)量，并重復(fù)了這些測(cè)量過(guò)程。他們發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的現(xiàn)象。僅當(dāng)該材料的電子數(shù)比晶格格點(diǎn)數(shù)多一半時(shí)，該材料才傾向于與外部磁場(chǎng)對(duì)齊，即表現(xiàn)出更強(qiáng)的鐵磁性。而當(dāng)晶格中的電子數(shù)少于格點(diǎn)數(shù)時(shí)，研究人員沒(méi)有觀察到鐵磁性存在的跡象。這與他們預(yù)期會(huì)看到的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)岡鐵磁性起作用的情況相反。

然而材料確實(shí)正在磁化，交換相互作用似乎不是驅(qū)動(dòng)因素，但最簡(jiǎn)單的長(zhǎng)岡理論也無(wú)法完全解釋其磁屬性。

當(dāng)材料被磁化而你多少有點(diǎn)意外時(shí)

最終，這被歸結(jié)為運(yùn)動(dòng)。電子通過(guò)在空間中擴(kuò)散來(lái)降低它們的動(dòng)能，這可能導(dǎo)致描述一個(gè)電子量子態(tài)的波函數(shù)與相鄰電子的波函數(shù)重疊，從而將它們的命運(yùn)綁定在一起。在該團(tuán)隊(duì)使用的材料中，一旦莫爾晶格中的電子數(shù)多于晶格格點(diǎn)數(shù)，而多余的電子像百老匯舞臺(tái)上的霧氣一樣變得離域化時(shí)，材料的能量就會(huì)降低。然后，它們與晶格中的電子快速配對(duì)，形成被稱為雙電子體的雙電子組合。

除非周圍晶格格點(diǎn)處的電子都具有對(duì)齊的自旋，否則這些流動(dòng)的額外電子以及它們不斷形成的雙電子體無(wú)法在晶格內(nèi)離域化和擴(kuò)散。隨著材料不斷追求其最低能態(tài)，最終結(jié)果是雙電子體傾向于產(chǎn)生小的局部鐵磁場(chǎng)。在達(dá)到一定閾值前，穿過(guò)晶格的雙電子體越多，材料的鐵磁性就越明顯。

重要的是，長(zhǎng)岡預(yù)測(cè)，當(dāng)晶格中的電子數(shù)少于格點(diǎn)數(shù)時(shí)，這種效應(yīng)也會(huì)起作用，而研究人員并沒(méi)有看到這一現(xiàn)象。但根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的理論工作——在實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)布之前于2023年6月份發(fā)表在《物理評(píng)論研究》上——這種差異可歸因?yàn)樗麄兪褂玫娜切尉Ц衽c長(zhǎng)岡計(jì)算中使用的正方形晶格之間的幾何特性不同。

那就是莫爾材料

除非你在宇宙中最冷的地方做飯，否則你無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)把動(dòng)能磁鐵貼在你的冰箱上。研究人員是在寒冷的140毫開(kāi)爾文（接近-273℃）溫度下評(píng)估莫爾材料的鐵磁行為的。

對(duì)于伊瑪莫格魯來(lái)說(shuō)，這種物質(zhì)仍然揭示了探測(cè)固體中電子行為的新興途徑，以及長(zhǎng)岡只能夢(mèng)想的應(yīng)用。他與理論物理學(xué)家尤金 · 德姆勒（Eugene Demler）和伊萬(wàn) · 莫雷拉 · 納瓦羅（Ivan Morera Navarro）合作，想要去探索是否可以利用類似在莫爾材料內(nèi)發(fā)揮作用的動(dòng)能機(jī)制來(lái)操縱帶電粒子進(jìn)行配對(duì)，這可能催生一種潛在的新超導(dǎo)機(jī)制。

“我并不是說(shuō)這是可能的，”他說(shuō)，“那是我想去探索的地方。”

資料來(lái)源 Quanta Magazine

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本文作者邁克爾·格列什科（Michael Greshko）是一位科學(xué)記者，曾為《美國(guó)國(guó)家地理》等知名期刊撰稿