就像大腳怪和尼斯湖怪獸一樣，磁系統中的臨界“自旋波”還沒有被捕拍攝看捉到。與傳說中的生物不同，這些高度相關的電子自旋模式的波動確實存在，但它們太隨機和動蕩，無法實時看到。康奈爾大學一個研究團隊開發了一種新的成像技術，這種技術足夠快速和靈敏，可以觀察到二維磁鐵中這些難以捉摸的臨界波動。這種實時成像使研究人員可以通過一種“被動”機制來控制波動和切換磁性。

這最終可能促使更節能磁存儲設備的誕生，其研究成果發表在《自然材料》期刊上。研究的聯合資深作者是文理學院物理學副教授麥健輝（音譯）和工程學院應用與工程物理學教授單杰（音譯），這兩位研究人員都是康奈爾大學卡夫利納米科學研究所的成員，他們通過教務長的納米科學和微系統工程(NEXT Nano)倡議來到康奈爾大學，其共享的實驗室專門研究原子薄的量子材料。

當磁化波動發生在熱力學臨界點附近時，就被認為是“臨界”的。熱力學臨界點是指一種物質轉變成新的相態，從而產生各種不尋常現象的時刻。鐵就是一個典型的例子，當加熱到極端溫度時，它就會失去磁性。在這個關鍵區域或臨界點中，波動不再是隨機行為，而是變得高度相關。卡夫利研究所博士后研究員、研究的主要作者金晨浩(音譯)說：如果你想象所有空氣分子都是相關的，它們就像風一樣在非常大的長度范圍內一起移動。

實時捕捉波動

這就是當波動變得相關時會發生的事情，這可能會在一個系統和任何尺度上導致戲劇性的影響，因為這種相關性理論上可以達到無窮大，研究看到的波動是自旋或磁矩的波動。這些臨界磁化強度波動很難看到，因為它們是不斷變化的，并且發生在非常窄的溫度范圍內。物理學家研究磁性相變已經有幾十年了，這種現象在二維系統中更容易觀察到，還有什么比只有一層原子的磁鐵更二維的呢？

從單個原子層觀察信號仍然存在很多挑戰，研究人員使用了單層鐵磁絕緣體，溴化鉻，作為一個二維系統，它具有更寬的臨界區域和更強波動。為了實時看到這些波動，研究人員需要一種同樣快速、具有高空間分辨率和寬視野成像能力的方法。該團隊能夠滿足這些標準，方法是使用具有非常純偏振態的光來探測單層，并記錄下清晰的磁矩信號（這是磁鐵的強度和方向）當它產生自發波動時。

實時捕捉這一現象的能力，意味著研究人員只需施加一個小電壓，讓波動在不同狀態之間來回切換，就可以控制磁鐵中的臨界波動。一旦達到目標狀態或值，就可以關斷電壓。不需要磁場來控制波動，因為它們本質上是自己驅動的。這與主動磁狀態切換是一個根本不同的概念，因為它是完全被動的，這是一種基于從測量中獲得的信息切換，而不是主動驅動系統。所以這是一個新的概念，可以會節省大量能源。

博科園｜研究/來自：康奈爾大學

參考期刊《自然材料》

DOI: 10.1038/s41563-020-0706-8

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