所有的磁铁你曾经与之互动过，比如贴在冰箱门上的小玩意儿，出于同样的原因，它们都是有磁性的。但是，如果有另一种更奇怪的方法来使材料具有磁性呢?
1966年，日本物理学家长冈洋介构想了一种由假想材料中看似不自然的电子舞蹈产生的磁性。现在，一组物理学家发现了Nagaoka的预测版本，该版本在一种只有六个原子厚的工程材料中发挥作用。
这一发现最近发布在《自然》杂志上，标志着五十年来寻找长冈铁磁性的最新进展，与传统磁铁相比，材料在其中的电子最小化动能时会磁化。“这就是我做这种研究的原因：我可以学习我们以前不知道的东西，看到我们以前从未见过的东西，”该研究的合著者Livio Ciorciaro说，他在瑞士联邦理工学院苏黎世量子电子研究所的博士生期间完成了这项工作。
2020 年，研究人员在一个仅包含三个电子的微小系统中创造了长冈铁磁性，这是可能发生这种现象的最小系统之一。在这项新研究中，Ciorciaro和他的同事们在一个扩展系统中实现了这一点 - 一种称为摩尔纹晶格的图案结构，由2纳米薄的薄片形成。
这项研究“是对这些相对较新的摩尔纹晶格的非常酷的使用，”2020年研究的合著者胡安·巴勃罗·德霍兰说，他在代尔夫特理工大学完成了这项工作。“它以一种不同的方式看待这种铁磁性。
传统的铁磁性之所以出现，是因为电子彼此不太喜欢，所以它们没有相遇的欲望。
想象一下两个电子并排坐着。它们会相互排斥，因为它们都有负电荷。他们最低的能量状态会发现他们相距甚远。通常，系统会进入最低能量状态。
根据量子力学，电子还具有其他一些关键特性。首先，它们的行为不像单个点，而更像是概率雾云。其次，它们具有一种称为自旋的量子特性，它类似于内部磁铁，可以指向上方或下方。第三，两个电子不能处于相同的量子态。
因此，具有相同自旋的电子真的会想要远离彼此——如果它们在同一个地方，具有相同的自旋，它们就有可能占据相同的量子态。具有平行自旋的重叠电子比其他方式保持稍远的距离。
在存在外部磁场的情况下，这种现象可能足够强大，可以诱使电子自旋像小条形磁铁一样排列，从而在材料内产生宏观磁场。在铁等金属中，这些称为交换相互作用的电子相互作用非常有效，只要金属不被加热太多，感应磁化就是永久性的。
“我们在日常生活中具有磁性的原因是因为电子交换相互作用的强度，”该研究的合著者，量子电子研究所的物理学家Ataçİmamoğlu说。
然而，正如Nagaoka在1960年代提出的理论，交换相互作用可能不是使材料具有磁性的唯一方法。Nagaoka设想了一个方形的二维晶格，晶格上的每个位点只有一个电子。然后他计算出如果你在某些条件下移除其中一个电子会发生什么。当晶格的剩余电子相互作用时，缺失电子所在的空穴将在晶格周围滑行。
在Nagaoka的情景中，当晶格的电子自旋全部对齐时，晶格的总能量将处于最低水平。每个电子构型看起来都是一样的——就好像电子是世界上最无聊的滑动瓷砖拼图中的相同瓷砖一样。反过来，这些平行自旋将使材料具有铁磁性。
İmamoğlu和他的同事们有一种暗示，他们可以通过试验单层原子片来创造长冈磁性，这些原子片可以堆叠在一起形成复杂的摩尔纹图案。在原子薄的层状材料中，摩尔纹可以从根本上改变电子的行为方式，从而改变材料的行为方式。例如，在 2018 年，物理学家 Pablo Jarillo-Herrero 和他的同事证明，当两层石墨烯通过扭曲抵消两层时，它们获得了超导能力。
从那以后，摩尔纹材料已成为一种引人注目的磁性研究新系统，与过冷原子云和铜酸盐等复杂材料并驾齐驱。“摩尔纹材料为我们提供了一个游乐场，基本上，合成和研究电子的多体态，”İmamoğlu说。
研究人员首先从半导体二硒化钼和二硫化钨的单层合成了一种材料，这些材料属于过去的模拟暗示可以表现出长冈式磁性的一类材料。然后，他们对摩尔纹材料施加了不同强度的弱磁场，同时跟踪材料的电子自旋中有多少与磁场对齐。
然后，研究人员重复这些测量，同时在材料上施加不同的电压，这改变了摩尔晶格中的电子数量。他们发现了一些奇怪的东西。只有当它的电子比晶格位多50%时，这种材料才更容易与外部磁场对齐，也就是说，表现得更具铁磁性。当晶格的电子比晶格位点少时，研究人员没有看到铁磁性的迹象。这与他们所期望的相反，如果标准问题的长冈铁磁性一直在起作用。
然而，这种材料是磁化的，交换相互作用似乎并没有驱动它。但长冈理论的最简单版本也没有完全解释它的磁性。
归根结底，它归结为运动。电子通过在空间中扩散来降低它们的动能，这可能导致描述一个电子量子态的波函数与其邻居的量子态重叠，从而将它们的命运联系在一起。在该团队的材料中，一旦摩尔纹晶格中的电子多于晶格位点，当额外的电子像雾一样在百老汇舞台上抽水时，材料的能量就会降低。然后，它们短暂地与晶格中的电子配对，形成称为双子的双电子组合。
这些流动的额外电子，以及它们不断形成的达布隆，不能在晶格内离域和扩散，除非周围晶格位点中的电子都具有对齐的自旋。当材料无情地追求其最低能量状态时，最终结果是达布隆倾向于产生小的局部铁磁区域。在达到一定阈值时，通过晶格的达布隆越多，材料的铁磁性就越强。
至关重要的是，Nagaoka推测，当晶格的电子少于晶格位点时，这种效应也会起作用，这不是研究人员所看到的。但根据该团队的理论工作 - 在实验结果之前发布在6月份的《物理评论研究》上 - 这种差异归结为他们在Nagaoka的计算中使用的三角形晶格与方形晶格的几何怪癖。
除非你在宇宙中最冷的地方之一做饭，否则你将无法很快将动力学铁磁体固定在冰箱上。研究人员在140毫开尔文的霜冻温度下评估了摩尔纹材料的铁磁行为。
尽管如此，对于İmamoğlu来说，这种物质仍然揭示了探索电子在固体中行为的令人兴奋的新途径，以及Nagaoka梦寐以求的应用。他与理论物理研究所的理论物理学家尤金·德姆勒和伊万·莫雷拉·纳瓦罗合作，希望探索像摩尔纹材料中起作用的动力学机制是否可以用来操纵带电粒子配对，从而可能为超导性的新机制指明方向。
“我并不是说这是可能的，”他说。“这就是我想去的地方。”
