研究背景
隨著低維材料研究的發(fā)展，二維材料中的自旋漲落和無(wú)序效應(yīng)因其在產(chǎn)生非平凡物質(zhì)相（如由復(fù)合秩序參數(shù)表征的遺跡性有序）中的關(guān)鍵作用，引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。具體來(lái)說(shuō)，低維系統(tǒng)中的漲落顯著增強(qiáng)，使得這些系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)三維系統(tǒng)中難以觀察到的奇特磁性狀態(tài)。自旋漲落和磁性相的關(guān)系，尤其是在二維材料中的表現(xiàn)，成為了研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
在這些研究中，二維材料NiPS3成為了研究對(duì)象，因?yàn)槠洫?dú)特的范德華結(jié)構(gòu)和易于調(diào)控的層數(shù)使得它在探索低維磁性相中具有重要意義。NiPS3在厚度變化時(shí)，表現(xiàn)出從三維體材料中的鋸齒狀反鐵磁（AFM）秩序向二維少層樣品中的Z3遺跡性Potts-涌現(xiàn)態(tài)的相變。這一現(xiàn)象突顯了二維材料中自旋漲落對(duì)磁性相的影響，同時(shí)也展示了低維系統(tǒng)中自旋漲落驅(qū)動(dòng)的磁性相的可能性。
針對(duì)這一問(wèn)題，美國(guó)密歇根大學(xué)Liuyan Zhao教授和德克薩斯理工大學(xué)的Rui He 研究人員合作在“Nature Physics”期刊上發(fā)表了題為“Dimensionality crossover to a two-dimensional vestigial nematic state from a three-dimensional antiferromagnet in a honeycomb van der Waals magnet”的最新論文。作者的研究通過(guò)自旋弛豫測(cè)量和光學(xué)光譜學(xué)測(cè)量，揭示了在NiPS3層數(shù)減少時(shí)，自旋漲落在吉赫茲到太赫茲范圍內(nèi)顯著增強(qiáng)。蒙特卡羅模擬結(jié)果驗(yàn)證了三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性破缺的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，但在薄層NiPS3中平移對(duì)稱性得以恢復(fù)。這表明強(qiáng)量子漲落能夠在摧毀常規(guī)的磁性相后，穩(wěn)定一種非常規(guī)的磁性相。
這些發(fā)現(xiàn)為二維材料中的磁性相研究提供了新的視角。作者提出了幾個(gè)未來(lái)的研究方向：首先，利用二維材料中增強(qiáng)的自旋漲落可能會(huì)發(fā)現(xiàn)更多自旋漲落驅(qū)動(dòng)的磁性相，包括Z3自旋誘導(dǎo)的Potts-涌現(xiàn)性。其次，需要高空間分辨率的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)解決二維NiPS3中的自旋相干長(zhǎng)度問(wèn)題。最后，將兩個(gè)NiPS3薄片旋轉(zhuǎn)形成的莫爾超晶格中的磁性狀態(tài)以及二維NiPS3中強(qiáng)漲落與強(qiáng)相關(guān)電荷自由度的相互作用，將成為進(jìn)一步研究的有趣課題。這些探索將推動(dòng)對(duì)低維磁性相的深入理解，并可能揭示新型的量子材料特性。
研究亮點(diǎn)
1. 實(shí)驗(yàn)首次展示了從三維體材料中的鋸齒狀反鐵磁秩序向二維少層樣品中的Z3遺跡性Potts-涌現(xiàn)態(tài)的相變。通過(guò)研究范德華磁體NiPS3的不同層數(shù)，作者觀察到在層數(shù)減少時(shí)，材料的磁性相發(fā)生了顯著變化。
2. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)自旋弛豫測(cè)量和光學(xué)光譜學(xué)測(cè)量，揭示了NiPS3中自旋漲落在吉赫茲到太赫茲范圍內(nèi)的顯著增強(qiáng)。蒙特卡羅模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性破缺的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但顯示在NiPS3的薄層中，平移對(duì)稱性得以恢復(fù)。這些結(jié)果表明，在二維材料中，強(qiáng)量子漲落能夠穩(wěn)定一種非常規(guī)的磁性相，而摧毀了更常規(guī)的磁性相。
圖文解讀
圖1： 在NIP3中，殘留有序和磁性狀態(tài)的示意相圖。
圖2：通過(guò)氮空位nitrogen-vacancy，NV弛豫和拉曼光譜測(cè)量表明，少層NIP3中依賴于厚度的自旋漲落。
圖3：拉曼光譜中，平移對(duì)稱性破缺broken translational symmetry，BTS和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性破缺broken rotational symmetry，BRS特征的厚度依賴性。
圖4: 四層4L NIP3的偏振相關(guān)線性二色性linear dichroism，LD和拉曼數(shù)據(jù)。
圖5: 在兩層2L NIP3中，磁性狀態(tài)的蒙特卡羅計(jì)算。
總結(jié)展望
本文揭示了低維系統(tǒng)中漲落和無(wú)序的效應(yīng)如何促進(jìn)非平凡物質(zhì)相的出現(xiàn)，尤其是通過(guò)研究NiPS3從三維體材料的鋸齒狀反鐵磁秩序到二維少層樣品中的Z3遺跡性Potts-涌現(xiàn)態(tài)的相變。作者的研究表明，二維材料中的自旋漲落顯著增強(qiáng)，從吉赫茲到太赫茲范圍內(nèi)的漲落在層數(shù)減少時(shí)更加顯著，這為探索漲落驅(qū)動(dòng)的磁性相提供了新途徑。此外，蒙特卡羅模擬驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中觀察到的三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性破缺，但在薄層中恢復(fù)了平移對(duì)稱性。這一發(fā)現(xiàn)表明，強(qiáng)量子漲落能夠摧毀傳統(tǒng)磁性相，并穩(wěn)定非常規(guī)磁性相。本文的科學(xué)啟示在于，利用低維系統(tǒng)中的增強(qiáng)漲落，可能發(fā)現(xiàn)更多未知的自旋驅(qū)動(dòng)磁性相，挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的磁性研究主流，并為設(shè)計(jì)新型量子材料和器件提供了新的思路。
參考文獻(xiàn)：
Sun, Z., Ye, G., Zhou, C. et al. Dimensionality crossover to a two-dimensional vestigial nematic state from a three-dimensional antiferromagnet in a honeycomb van der Waals magnet. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02618-6
