物理学家在镍基磁铁中发现异常波

扰动磁铁中的电子自旋通常会产生称为“自旋波”的激发，它像被鹅卵石击中的池塘上的波浪一样在磁铁中荡漾。在一项新研究中，莱斯大学的物理学家及其合作者发现了截然不同的激发，称为“自旋激子”，它们也可以作为相干波“波纹”穿过镍基磁体。

在Nature Communications上发表的一项研究中，研究人员报告发现钼酸镍(一种层状磁性晶体)具有不寻常的特性。称为电子的亚原子粒子类似于微小的磁铁，它们通常会像罗盘针一样相对于磁场定位自己。在中子从晶体内部的磁性镍离子散射的实验中，研究人员发现每个镍离子的两个最外层电子表现不同。两者并没有像罗盘针那样对齐它们的自旋，而是在一种物理学家称之为自旋单线态的现象中相互抵消。

“这种物质根本不应该是磁铁，”该研究的通讯作者、莱斯大学的戴鹏程说。“如果中子从给定的镍离子中散射出来，激发应该保持在局部，而不是通过样品传播。”

因此，当中子散射实验中的仪器检测到的不是一个，而是两个传播波族，每个传播波的能量都截然不同时，戴和他的合作者感到很惊讶。

要了解波的起源，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位。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，”赖斯的合著者Emilia Morosan说。

Morosan 的小组使用比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，在层状钼酸镍中出现了两种晶场环境，这两种环境对镍离子的影响非常不同。

“其中，场效应相当微弱，对应于大约 10 开尔文的热能，”该研究的合著者安德烈·内维多姆斯基 (Andriy Nevidomskyy) 说，他是莱斯大学的理论物理学家，帮助解释了实验数据。“看到在几开尔文温度下，中子可以从受第一种晶体场效应影响的镍原子激发磁自旋波，这也许并不令人惊讶。但最令人费解的是它们来自属于第二种类型的镍原子。这些原子周围有四面体排列的氧，电场效应强近 20 倍，这意味着激发更难产生。”

Nevidomskyy 说，这可以理解为相应镍离子上的自旋具有不同的“质量”。

“类比是与网球混合的重型篮球，”他说。“要激发第二种类型的自旋，即较重的篮球，必须通过向材料照射更高能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，人们通常认为产生激子的“反冲”效应仅限于单个原子。但是实验的测量结果表明，“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，波似乎在相对较高的温度下持续存在，此时晶体不再像磁铁一样工作。

Nevidomskyy 和来自加州大学圣巴巴拉分校的理论家合著者Leon Balents给出的解释是：较重的自旋激子——类比篮球——响应周围较轻的磁激子——类似的网球——的波动而摆动——如果两种类型的球之间的相互作用足够强，则较重的自旋激子会参与类似于波的相干运动。

“特别有趣的是，”戴说，“这两种镍原子各自形成一个三角形晶格，因此该晶格内的磁相互作用受阻。”

在三角晶格的磁性中，挫折指的是难以将所有磁矩相对于它们的三个直接、最近的邻居对齐反平行(上下)。

了解磁性挫折在三角晶格中的作用是 Dai 和 Nevidomskyy 多年来一直致力于解决的长期挑战之一。

Nevidomskyy 说：“出乎意料地找到一个谜题，然后感到一种理解其起源的满足感，这是非常令人兴奋的。”

Dai、Morosan 和 Nevidomskyy 是Rice Quantum Initiative的成员。戴是山姆和海伦沃登物理学和天文学教授。Morosan 是物理学和天文学教授，也是化学教授。Nevidomskyy 是物理学和天文学副教授。中子散射实验由 Dai 小组的 Bin Gao 和 Tong Chen 与橡树岭国家实验室的仪器科学家以及卢瑟福阿普尔顿实验室的 ISIS 中子和 Muon 源合作进行。Morosan 小组的研究科学家 Chien-Lung Huang 进行了比热测量和分析。