科學家發現了一種奇特的新型磁性

綠葉 · 發表於 2023-11-23 17:24:03

歐洲理工學院的科學家發現了一種新型的磁性。實驗表明，一種人工製造的材料透過一種以前從未見過的機制變得磁性。

最常見的磁性形式——那種能讓東西黏在你的冰箱上的——是所謂的鐵磁性，它產生於一個材料中所有電子的自旋指向同一個方向。但還有其他形式，例如順磁性，這是一種較弱的版本，發生於電子的自旋指向隨機的方向。

在這項新的研究中，歐洲理工學院的科學家發現了一種奇怪的新型磁性。研究人員探索了莫爾材料的磁性特性，這些材料是由二維的二硒化鉬和二硫化鎢的片層堆疊而成。這些材料有一種晶格結構，可以容納電子。

為了找出這些莫爾材料具有什麼類型的磁性，團隊首先透過施加電流並逐漸增加電壓，將電子「倒入」它們。然後，為了測量它們的磁性，他們用雷射照射材料，並測量不同偏振的光的反射強度，這可以揭示電子的自旋是否指向同一個方向(表明是鐵磁性)或隨機方向(表明是順磁性)。

最初，材料表現出順磁性，但隨著團隊向晶格中添加更多的電子，它表現出了一個突然而意想不到的轉變，變成了鐵磁性。有趣的是，這種轉變正好發生在晶格填充超過每個晶格位置一個電子的時候，這排除了交換作用——這是通常驅動鐵磁性的機制。

新研究中的材料開始具有順磁性(左)，當電子(藍色球)的自旋都指向隨機方向時就會出現順磁性。一段時間後，材料顯示出動力學鐵磁性(右)，電子配對成雙光子(紅色球)，透過使電子的自旋全部對齊，這些雙光子擴散並填充晶格

「這是一種新型磁性的有力證據，它不能用交換作用來解釋，」該研究的首席作者、歐洲理工學院的Ataç Imamoğlu博士說。

團隊提出了一個不同的機制：當一個晶格位置進入多於一個電子時，它們會配對成一種稱為「雙子」的粒子，它們最終會透過量子隧道填滿整個晶格。當它們這樣做時，電子會最小化它們的動能，它們透過對齊它們的自旋來做到這一點，從而產生鐵磁性。這種「動能磁性」已經被理論預測了幾十年，但以前沒有在固體材料中觀察到。

研究人員計劃更仔細地研究這種現象，包括它是否可以在更高的溫度下實現。畢竟，對於這個實驗，材料必須冷卻到接近絕對零度的溫度。

這項研究發表在《自然》雜誌。