奇妙的波浪：物理學(xué)家揭示了鎳磁體中的自旋激子

擾動磁鐵中的電子自旋通常會導(dǎo)致被稱為"自旋波"的激發(fā)，這些激發(fā)就像被小石子擊中的池塘上的波浪一樣在磁鐵中蕩漾。在一項(xiàng)新的研究中，萊斯大學(xué)的物理學(xué)家和他們的合作者發(fā)現(xiàn)了被稱為"自旋激子"的截然不同的激發(fā)，它們也可以作為相干波在鎳基磁體中"蕩漾"。

在《自然-通訊》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告說在鉬酸鎳這種層狀磁性晶體中發(fā)現(xiàn)了不尋常的特性。被稱為電子的亞原子粒子類似于微小的磁鐵，而且它們通常像羅盤針一樣在磁場中定位。在實(shí)驗(yàn)中，中子從晶體內(nèi)的磁性鎳離子中散射出來，研究人員發(fā)現(xiàn)，每個(gè)鎳離子的兩個(gè)最外層電子表現(xiàn)得不同。這兩個(gè)電子不是像羅盤針一樣排列它們的自旋，而是在物理學(xué)家稱之為自旋單子的現(xiàn)象中相互抵消。

該研究的通訊作者、萊斯大學(xué)的戴鵬程說："這樣的物質(zhì)根本就不應(yīng)該是磁鐵。而且，如果一個(gè)中子從一個(gè)特定的鎳離子上散射下來，激發(fā)應(yīng)該保持在局部，而不是在樣品中傳播。"

因此，當(dāng)中子散射實(shí)驗(yàn)中的儀器檢測到不是一個(gè)，而是兩個(gè)系列的傳播波時(shí)，戴鵬程和他的合作者感到驚訝，每個(gè)波的能量都有很大的不同。

為了了解這些波的起源，有必要深入研究磁性晶體的原子細(xì)節(jié)。例如，來自晶體中原子的電磁力可以與磁場競爭，并影響鄰近原子內(nèi)的電子。這被稱為晶體場效應(yīng)，它可以迫使電子自旋沿著與磁場方向不同的方向定向。探測鉬酸鎳晶體的晶場效應(yīng)需要額外的實(shí)驗(yàn)和對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論解釋。

萊斯大學(xué)的合作者Emilia Morosan說："實(shí)驗(yàn)小組和理論之間的合作對于描繪一幅完整的畫面和理解在這種化合物中觀察到的不尋常的自旋激發(fā)是最重要的。"

莫羅桑的研究小組利用比熱測量探測了晶體對溫度變化的熱反應(yīng)。從這些實(shí)驗(yàn)中，研究人員得出結(jié)論，在層狀鉬酸鎳中出現(xiàn)了兩種晶體場環(huán)境，而且這兩種環(huán)境對鎳離子的影響非常不同。

研究報(bào)告的共同作者、幫助解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的萊斯大學(xué)理論物理學(xué)家Andriy Nevidomskyy說："在一種情況下，場效應(yīng)相當(dāng)弱，對應(yīng)的熱能約為10開爾文。在幾開爾文的溫度下，看到中子可以激發(fā)鎳原子的磁自旋波，這也許并不令人驚訝，因?yàn)殒囋邮艿竭@種第一類晶體場的影響。但最令人費(fèi)解的是看到它們來自受第二種類型影響的鎳原子。那些原子周圍有四面體排列的氧原子，電場效應(yīng)幾乎強(qiáng)了20倍，這意味著激發(fā)的產(chǎn)生要難得多。"

Nevidomskyy說："這可以理解為如果相應(yīng)的鎳離子上的自旋具有不同的"質(zhì)量"。這個(gè)比喻是指重的籃球與網(wǎng)球混在一起，為了激發(fā)第二種類型的自旋，即較重的籃球，我們必須通過向材料照射更多的高能中子來施加更強(qiáng)的'踢'。"

由此產(chǎn)生的對鎳自旋的影響被稱為自旋激子，人們通常會期望激子產(chǎn)生的"踢"的效果被限制在一個(gè)單一的原子中。但是實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果表明，"籃球"在一致地運(yùn)動，創(chuàng)造了一種意想不到的波。更令人驚訝的是，這些波似乎在相對較高的溫度下仍然存在，在那里晶體不再表現(xiàn)為磁鐵。

內(nèi)維多姆斯基和來自加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的理論家合著者萊昂-巴倫茨提供的解釋是： 較重的自旋激子--比喻中的籃球--隨著周圍較輕的磁性激子--比喻中的網(wǎng)球--的波動而晃動，如果這兩類球之間的相互作用足夠強(qiáng)，較重的自旋激子參與到類似于波的連貫運(yùn)動中。

"特別有趣的是，"戴說，"兩種鎳原子各自形成一個(gè)三角形晶格，因此這個(gè)晶格內(nèi)的磁相互作用是受挫的。"

在三角形晶格的磁性中，挫折指的是使所有的磁矩相對于它們的三個(gè)近鄰反平行（上下）對齊的困難。

了解磁挫折在三角形晶格中的作用是戴和Nevidomskyy兩人多年來一直致力于解決的長期挑戰(zhàn)之一。Nevidomskyy說："找到一個(gè)謎題，與自己的預(yù)期相反，然后感到一種了解其起源的滿足感，這是非常令人興奮的。"