新晶体让磁性以意想不到的方式旋转

发表于《美国化学会志》的研究表明，将两种化学成分几乎相同但晶体结构差异极大的材料混合，能生成一种全新结构。这种意外的混合晶体展现出原两种材料均不具备的磁性。

磁性始于原子尺度。在磁性材料中，每个原子因“原子自旋”特性而像一个小磁体，自旋可想象成指示原子磁场方向的小箭头。当众多原子自旋排列整齐（同向或反向）时，会产生日常科技（如电脑、智能手机）中使用的常见磁力，这是传统磁铁的典型有序排列。

佛罗里达州立大学（FSU）团队发现，他们的新材料表现截然不同：原子自旋并非整齐排列，而是形成复杂的重复漩涡图案，即“自旋织构”，这对材料响应磁场的方式有重要影响。

为产生这些特殊效应，研究人员特意将两种化学相似但结构不匹配的化合物结合。每种化合物具有不同的晶体对称性，意味着原子排列方式不兼容。当这些结构相遇时，均无法完全主导，边界处的这种不稳定性产生了科学家所说的“结构受挫”——系统无法形成简单稳定的模式。

“我们认为这种结构受挫可能转化为磁性受挫，”该研究的合著者、FSU化学与生物化学系教授迈克尔·沙特鲁克（Michael Shatruk）说，“如果结构相互竞争，可能会导致自旋扭曲。我们要找一些化学组成非常接近但对称性不同的结构。”

团队通过将锰-钴-锗化合物与锰-钴-砷化合物混合来验证这一想法。锗和砷在元素周期表中相邻，使这两种化合物化学相似但结构不同。混合物冷却结晶后，研究人员对结果进行了检测，确认了目标漩涡状磁图案的存在。这些周期性自旋排列被称为类斯格明子自旋织构，是当前物理和化学领域的研究热点。

为详细绘制磁结构，团队使用了橡树岭国家实验室（ORNL）散裂中子源的TOPAZ仪器进行单晶中子衍射测量。该设施是美国能源部科学办公室的用户设施。

具有类斯格明子自旋织构的材料具有多项潜在技术优势。一种潜在应用是下一代硬盘，能在相同物理空间存储更多信息。斯格明子还可通过极少能量移动，这能显著降低电子设备的功耗——在拥有数千个处理器的大规模计算系统中，即使是适度的效率提升也能大幅节省电力和冷却成本。该研究还可能指导容错量子计算系统的开发，这类系统旨在保护脆弱的量子信息，即便存在错误和噪声也能可靠运行，这是量子信息处理的“圣杯”。

“借助TOPAZ的单晶中子衍射数据以及我们LDRD项目的新数据还原和机器学习工具，我们现在能更有信心地解析非常复杂的磁结构，”橡树岭国家实验室杰出中子散射科学家王晓平（Xiaoping Wang）表示，“这种能力让我们从单纯发现特殊自旋织构，迈向有意设计并优化它们，以用于未来的信息和量子技术。”

早期关于斯格明子的研究多是逐一搜索已知材料，测试是否存在所需磁图案。而本研究采用了更具针对性的方法：研究人员并非寻找现有例子，而是以结构受挫为指导原则，从头设计新材料以产生特定磁行为。

“这是化学思维，因为我们在思考这些结构之间的平衡如何影响它们及相互关系，进而如何转化为原子自旋之间的关系，”沙特鲁克说。通过理解支配这些图案的基本规则，科学家最终或许能在制备材料前预测复杂自旋织构的形成位置。

“我们的目标是能够预测这些复杂自旋织构会出现在哪里，”该研究的合著者、沙特鲁克实验室的研究生伊恩·坎贝尔（Ian Campbell）说，“传统上，物理学家会寻找已表现出所需对称性的已知材料并测量其性质，但这限制了可能性范围。我们正努力发展预测能力，例如：‘如果我们将这两种物质混合，会形成具有这些所需性质的全新材料。’”

这种策略还能通过扩大可用成分范围，使未来技术更实用。这种灵活性可能让研究人员更容易生长晶体、降低成本，并加强先进磁性材料的供应链。

坎贝尔在FSU奖学金支持下，在橡树岭国家实验室完成了部分研究。“这段经历对本研究至关重要，”他说，“在橡树岭，我得以与那里的科学家建立联系，并利用他们的专业知识解决完成本研究所需解决的一些问题。”

佛罗里达州立大学自1951年起成为橡树岭联合大学的赞助成员，也是该国家实验室的核心大学合作伙伴。通过这一合作，FSU的教职员工、博士后研究人员和研究生可使用ORNL的设施，并与实验室科学家合作。

该研究的其他合著者包括FSU化学与生物化学系的王一旭（YiXu Wang）、扎卡里·P·特纳（Zachary P. Tener）、朱迪思·K·克拉克（Judith K. Clark）和雅克内尔·格拉特罗尔（Jacnel Graterol）；欧洲同步辐射设施的安德烈·罗加列夫（Andrei Rogalev）和法布里斯·威廉（Fabrice Wilhelm）；北京科技大学的张胡（Hu Zhang）和龙艺（Yi Long）；亚琛工业大学的理查德·德龙科夫斯基（Richard Dronskowski）；以及橡树岭国家实验室的王晓平。该研究得到美国国家科学基金会的支持，并在佛罗里达州立大学和橡树岭国家实验室的设施中开展。