人工材料揭开量子之谜：发现新机制铁磁性

贴在冰箱的普通磁铁表现为铁磁性，但最近，科学家在一种人造材料中发现全新形式的铁磁性，其磁矩排列无法以传统交换作用解释。

物质具有各种磁性，如顺磁性、抗磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性、超顺磁性等，最常见磁性形式为铁磁性，也就是我们日常贴在冰箱、白板上的磁铁，其原理为材料中所有电子自旋都指向同一方向时就会产生铁磁性，可说是满足多种物理效应的完美组合。

其他磁性如顺磁性，则是当电子自旋指向随机方向时会出现的一种较弱形式。

但在一项新研究中，瑞士苏黎世联邦理工学院（德语：ETH Zürich）团队发现一种奇怪的新形式铁磁性。

研究人员原本想探索摩尔材料（moiré materials）磁性为何：一种堆叠二维二硒化钼（molybdenum diselenide）和二硫化钨（tungsten disulfide）的实验材料，具有能包含电子的晶格结构。

为了找出摩尔材料具哪种类型磁性，研究团队先施加电流、稳定增加电压将电子“注入”材料内，接着利用雷射照射材料、测量不同偏振的光反射强度测量磁性，揭开电子自旋是指向同一方向（铁磁性）还是随机方向（顺磁性）。

在团队制造的摩尔材料中，如果每个晶格位只有一个电子（左），则电子自旋无序;若每个晶格位点（右）有多个电子且形成 doublons 粒子（红色），就会转变成铁磁性。（Source：苏黎世联邦理工学院）

最初该材料表现出具有随机自旋方向的顺磁性，但随着团队向晶格添加更多电子，材料超过临界电子密度，它出乎意料地转变为铁磁性;更有趣的是，转变恰好发生在每个晶格位都填满 1 个电子之际，排除驱动铁磁性常见的交换作用（exchange interaction）机制。

研究主要作者 Ataç Imamoğlu 表示：“这是无法用交换作用解释的新型磁性惊人证据。”

团队对此提出一种完全不同的机制：当多个电子进入晶格空位，会配对为 doublons 粒子，最终透过量子隧道填充整个晶格。当它们这样做，电子会调整自旋来最小化自身动能，从而产生铁磁性，理论已预测这种“动磁”机制数十年，但之前从未在固体材料中观察到。

研究人员将更仔细研究该现象，检查是否能于更高温度再次发生这种机制。毕竟，这种摩尔材料冷却到接近绝对零度才进行实验。

新论文发表在《自然》（Nature）期刊。