超薄二维材料中观测到两种罕见磁性状态
发布时间: 2026-03-05 09:59:23
科技日报北京3月3日电（记者张佳欣）当一种材料被不断“削薄”到只有原子级厚度时，其性质会出现意想不到的变化。美国得克萨斯大学奥斯汀分校研究团队发现，在一种超薄二维磁性材料中，随着温度降低会依次出现两种罕见的磁性状态。这一结果首次完整验证了20世纪70年代提出的二维“六态时钟模型”，为研究二维磁性与纳米尺度磁结构提供了重要实验依据。这一进展或给未来的超紧凑型技术带来启发。相关成果发表在最新一期《自然·材料》杂志上。
原子级薄NiPS?中的六态时钟模型。图源：《自然·材料》杂志 二维磁性一直是凝聚态物理中的重要课题。理论上，某些二维体系在接近绝对零度时会经历一系列特殊相变，但长期以来，实验中通常只能分别观察到其中某一个阶段，很难看到完整的连续过程。
研究团队将一种只有原子级厚度的三硫化磷镍冷却到约零下150℃至零下130℃之间。此时，他们观察到，这种材料首先进入一种被称为“贝列津斯基—科斯特利茨—索利斯”（BKT）相的特殊状态。在这种状态下，材料中每个原子的磁矩不再简单地朝向某一固定方向，而是形成类似旋涡的结构。这些旋涡成对出现，一顺时针、一逆时针，并彼此束缚在一起。
BKT相之所以特别引人关注，是因为这些旋涡被预测具有极高的稳定性，其横向尺寸只有几纳米，而厚度仅为单个原子层。由于稳定且尺寸极小，这些旋涡为在纳米尺度上调控磁性提供了新的途径，也为理解二维体系中的普适拓扑物理提供了线索。
随着温度继续降低，材料又进入第二种磁性状态，即“六态时钟有序相”。在这一状态中，磁矩只能取六个彼此对称的方向之一。这一过程正是二维六态时钟模型所预测的完整相变序列。
该模型是凝聚态物理中的经典理论框架，用于描述二维系统中由拓扑缺陷主导的相变行为。过去数十年里，科学家一直希望在真实材料中完整观测到这一理论图景，但始终缺乏直接证据。此次实验首次在同一材料中同时看到BKT相以及随后出现的低温有序相，为相关理论提供了重要验证。
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