最新科技終于實(shí)現(xiàn)在二維磁鐵中，觀察到自旋波，還能切換磁性！

就像大腳怪和尼斯湖怪獸一樣，磁系統(tǒng)中的臨界“自旋波”還沒(méi)有被捕拍攝看捉到。與傳說(shuō)中的生物不同，這些高度相關(guān)的電子自旋模式的波動(dòng)確實(shí)存在，但它們太隨機(jī)和動(dòng)蕩，無(wú)法實(shí)時(shí)看到?？的螤柎髮W(xué)一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的成像技術(shù)，這種技術(shù)足夠快速和靈敏，可以觀察到二維磁鐵中這些難以捉摸的臨界波動(dòng)。這種實(shí)時(shí)成像使研究人員可以通過(guò)一種“被動(dòng)”機(jī)制來(lái)控制波動(dòng)和切換磁性。

這最終可能促使更節(jié)能磁存儲(chǔ)設(shè)備的誕生，其研究成果發(fā)表在《自然材料》期刊上。研究的聯(lián)合資深作者是文理學(xué)院物理學(xué)副教授麥健輝（音譯）和工程學(xué)院應(yīng)用與工程物理學(xué)教授單杰（音譯），這兩位研究人員都是康奈爾大學(xué)卡夫利納米科學(xué)研究所的成員，他們通過(guò)教務(wù)長(zhǎng)的納米科學(xué)和微系統(tǒng)工程(NEXT Nano)倡議來(lái)到康奈爾大學(xué)，其共享的實(shí)驗(yàn)室專門(mén)研究原子薄的量子材料。

當(dāng)磁化波動(dòng)發(fā)生在熱力學(xué)臨界點(diǎn)附近時(shí)，就被認(rèn)為是“臨界”的。熱力學(xué)臨界點(diǎn)是指一種物質(zhì)轉(zhuǎn)變成新的相態(tài)，從而產(chǎn)生各種不尋?，F(xiàn)象的時(shí)刻。鐵就是一個(gè)典型的例子，當(dāng)加熱到極端溫度時(shí)，它就會(huì)失去磁性。在這個(gè)關(guān)鍵區(qū)域或臨界點(diǎn)中，波動(dòng)不再是隨機(jī)行為，而是變得高度相關(guān)?？ǚ蚶芯克┦亢笱芯繂T、研究的主要作者金晨浩(音譯)說(shuō)：如果你想象所有空氣分子都是相關(guān)的，它們就像風(fēng)一樣在非常大的長(zhǎng)度范圍內(nèi)一起移動(dòng)。

實(shí)時(shí)捕捉波動(dòng)

這就是當(dāng)波動(dòng)變得相關(guān)時(shí)會(huì)發(fā)生的事情，這可能會(huì)在一個(gè)系統(tǒng)和任何尺度上導(dǎo)致戲劇性的影響，因?yàn)檫@種相關(guān)性理論上可以達(dá)到無(wú)窮大，研究看到的波動(dòng)是自旋或磁矩的波動(dòng)。這些臨界磁化強(qiáng)度波動(dòng)很難看到，因?yàn)樗鼈兪遣粩嘧兓?，并且發(fā)生在非常窄的溫度范圍內(nèi)。物理學(xué)家研究磁性相變已經(jīng)有幾十年了，這種現(xiàn)象在二維系統(tǒng)中更容易觀察到，還有什么比只有一層原子的磁鐵更二維的呢？

從單個(gè)原子層觀察信號(hào)仍然存在很多挑戰(zhàn)，研究人員使用了單層鐵磁絕緣體，溴化鉻，作為一個(gè)二維系統(tǒng)，它具有更寬的臨界區(qū)域和更強(qiáng)波動(dòng)。為了實(shí)時(shí)看到這些波動(dòng)，研究人員需要一種同樣快速、具有高空間分辨率和寬視野成像能力的方法。該團(tuán)隊(duì)能夠滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，方法是使用具有非常純偏振態(tài)的光來(lái)探測(cè)單層，并記錄下清晰的磁矩信號(hào)（這是磁鐵的強(qiáng)度和方向）當(dāng)它產(chǎn)生自發(fā)波動(dòng)時(shí)。

實(shí)時(shí)捕捉這一現(xiàn)象的能力，意味著研究人員只需施加一個(gè)小電壓，讓波動(dòng)在不同狀態(tài)之間來(lái)回切換，就可以控制磁鐵中的臨界波動(dòng)。一旦達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)或值，就可以關(guān)斷電壓。不需要磁場(chǎng)來(lái)控制波動(dòng)，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是自己驅(qū)動(dòng)的。這與主動(dòng)磁狀態(tài)切換是一個(gè)根本不同的概念，因?yàn)樗峭耆粍?dòng)的，這是一種基于從測(cè)量中獲得的信息切換，而不是主動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所以這是一個(gè)新的概念，可以會(huì)節(jié)省大量能源。

博科園｜研究/來(lái)自：康奈爾大學(xué)

參考期刊《自然材料》

DOI: 10.1038/s41563-020-0706-8

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