量子涨落在层状材料中诱导稳定的磁排列

2023年1月23日出版

面内磁场下Ba3CoSb2O9的热测磁相图(H∥a)。

利用高磁场和低温，科学家们能够在钡、钴、锑和氧化合物中观察到一组复杂的量子涨落，这些涨落在磁场的作用下可以引起有序的磁态，包括相图中一个不寻常的四临界点，其中四个磁相聚集在一个点上。

科学家们发现了什么?

在量子世界中，单个磁原子的行为就像指南针，我们称这些原子尺度的磁铁为自旋。“一个自旋方向的改变会导致邻近的自旋也改变方向，因为没有原子的量子能量为零，自旋以无序的方式波动。”令人惊讶的是，在某些条件下，这些“量子涨落”会导致三个自旋组合偶然发现自旋方向的有序排列。也就是说，量子涨落可以从典型的无序涨落中创造出磁有序的材料。

由一所本科机构的研究人员领导的用户合作研究了Ba3CoSb2O9，其中磁性钴(Co)原子以重复的三角形模式放置，形成二维(2D)层。他们发现，这提供了精确的物理排列，在这种排列中，平行于二维层的磁场将使量子涨落产生一系列稳定的自旋方向。图中显示了四种新的自旋构型，自旋方向随着磁场的增加而发生变化。

为什么这很重要?

在分层材料中稳定的磁自旋排列可以用来存储和检索信息，但研究人员还没有很好的模型来说明多层(而不是单一的孤立层)将如何改变所发生的事情。这些测量:(1)在强磁场中发现了磁自旋的新排列，(2)确定了什么类型的排列在物理上是可能的，(3)证明了即使自旋局限于二维平面，这些平面之间的磁相互作用也改变了可能的排列。