在原子级厚度的半导体中，一种在任何自然物质中都未曾见过的机制会导致电子自旋对齐。
你接触过的所有磁铁，比如粘贴在冰箱门上的冰箱贴，带有磁性的原因都是相同的。但如果存在另一种更为奇异的方法来使材料带有磁性，那又将如何呢？
在1966年，日本物理学家长冈洋介（Yosuke Nagaoka）设想了一种磁性，这种磁性由假想材料内部电子看似不自然的舞蹈产生。如今，一个物理学家团队在一种仅有六个原子厚的工程材料中观察到了一种长冈预测的磁性现象。
这项发现最近发表在《自然》杂志上，它标志着五十年来搜寻长冈铁磁性的最新进展。与传统磁铁不同，这种材料通过最小化其内部电子的动能而磁化。“这就是我从事这类研究的原因：我能学到我们以前不知道的东西，看到我们之前未曾见过的事物。”该研究论文的共同作者利维奥 · 西奥西亚罗（Livio Ciorciaro）说道。他在苏黎世联邦理工学院量子电子研究所读博期间完成了这项工作。
早在2020年，研究人员就在一个仅包含三个电子的微小系统中创造了长冈铁磁性，那是可能发生该现象的最小系统之一。在这项新研究中，西奥西亚罗和同事则在一个延展系统中实现了同样的结果，该系统是一种被称为莫尔晶格的特定结构，由两片纳米薄板组成。
这项研究“是对这些莫尔晶格的一项非常酷的应用，思路相对新颖”。2020 年那项研究的共同作者胡安 · 巴勃罗 · 德霍兰（Juan Pablo Dehollain，他在代尔夫特理工大学完成了那项工作）说道：“它以一种不同的方式审视了这种铁磁性。”
当你的平行自旋产生了磁场
传统铁磁性的产生原因是电子彼此之间并不相互喜欢，因此它们不想相遇。
想象两个电子彼此相邻。它们会因为都带有负电荷而相互排斥。它们的最低能态会使它们彼此远离。而系统通常会处于它们的最低能态。
根据量子力学，电子还有一些其他关键的特性。首先，它们表现得不像单个粒子，而更像概率云。其次，它们具有一种被称为自旋的量子特性，这有点类似内部磁铁，可以指向上或指向下。最后，两个电子不能处于同一量子态。
因此，具有相同自旋的电子确实会想要彼此远离——如果它们处于相同位置、具有相同自旋，它们之间就会存在占据相同量子态的风险。具有平行自旋的重叠电子的间距会比其他情况下要稍远一些。
当存在外部磁场时，这种现象可能强大到足以诱使电子自旋像小条形磁铁一样排列起来，从而在材料内部创造一个宏观磁场。在铁等金属中，这些被称为交换相互作用的电子相互作用非常强大，只要金属不被过度加热，感应磁化就会是永久性的。
“我们日常生活中之所以存在磁性，是因为电子交换相互作用很强。”研究论文的共同作者、同样来自量子电子研究所的物理学家阿塔克 · 伊玛莫格鲁（Ata? Imamo?lu）说。
阿塔克·伊玛莫格鲁和他的同事猜测他们新合成的材料可能会表现出一些奇怪的磁属性，但他们并不确切地知道会发现什么
然而，正如长冈在20世纪60年代猜想的那样，交换相互作用可能不是使材料磁化的唯一方式。长冈构思了一种正方形二维晶格，晶格上的每个格点处均只有一个电子。然后他计算出了在某些特定条件下移除其中一个电子后会发生什么。当晶格中剩余的电子发生相互作用时，缺失电子的孔洞会在晶格上四处移动。
在长冈设想的场景中，当电子自旋全部对齐时，晶格的整体能量将处于最低。每个电子配置看起来都一样，就好像电子是世界上最无聊的滑动拼图游戏中相同的棋子一样。反过来，这些平行自旋又会使材料表现出铁磁性。
当两个带有扭转的网格形成图样时
伊玛莫格鲁和他的同事有一个预感，他们可以利用单层原子片进行实验，通过将这些原子片堆叠在一起形成复杂的莫尔图样来制造长冈铁磁性。在原子级的薄层材料中，莫尔图样可以从根本上改变电子乃至材料的行为。例如，在2018年，物理学家帕布罗 · 贾里洛-赫雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）和他的同事证实，当用扭转使两层石墨烯发生偏移时，双层堆叠的石墨烯获得了超导能力。
自此，莫尔材料与超冷原子云和铜氧化物等复杂材料并列，成为一种引人注目的、研究磁性的新系统。“莫尔材料为我们提供了一个基础实验场，用于合成和研究电子的多体状态。”伊玛莫格鲁说。
研究人员从合成由二硒化钼和二硫化钨组成的单层半导体制成的材料开始，过去的模拟研究表明这类材料可能会表现出长冈铁磁性。然后，他们向莫尔材料施加不同强度的弱磁场，同时记录材料中的电子自旋有多少与磁场对齐。
随后，研究人员对材料施加了不同的电压以改变莫尔晶格中电子的数量，并重复了这些测量过程。他们发现了一些奇怪的现象。仅当该材料的电子数比晶格格点数多一半时，该材料才倾向于与外部磁场对齐，即表现出更强的铁磁性。而当晶格中的电子数少于格点数时，研究人员没有观察到铁磁性存在的迹象。这与他们预期会看到的标准长冈铁磁性起作用的情况相反。
然而材料确实正在磁化，交换相互作用似乎不是驱动因素，但最简单的长冈理论也无法完全解释其磁属性。
当材料被磁化而你多少有点意外时
最终，这被归结为运动。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相邻电子的波函数重叠，从而将它们的命运绑定在一起。在该团队使用的材料中，一旦莫尔晶格中的电子数多于晶格格点数，而多余的电子像百老汇舞台上的雾气一样变得离域化时，材料的能量就会降低。然后，它们与晶格中的电子快速配对，形成被称为双电子体的双电子组合。
除非周围晶格格点处的电子都具有对齐的自旋，否则这些流动的额外电子以及它们不断形成的双电子体无法在晶格内离域化和扩散。随着材料不断追求其最低能态，最终结果是双电子体倾向于产生小的局部铁磁场。在达到一定阈值前，穿过晶格的双电子体越多，材料的铁磁性就越明显。
重要的是，长冈预测，当晶格中的电子数少于格点数时，这种效应也会起作用，而研究人员并没有看到这一现象。但根据该团队的理论工作——在实验结果发布之前于2023年6月份发表在《物理评论研究》上——这种差异可归因为他们使用的三角形晶格与长冈计算中使用的正方形晶格之间的几何特性不同。
那就是莫尔材料
除非你在宇宙中最冷的地方做饭，否则你无法在短时间内把动能磁铁贴在你的冰箱上。研究人员是在寒冷的140毫开尔文（接近-273℃）温度下评估莫尔材料的铁磁行为的。
对于伊玛莫格鲁来说，这种物质仍然揭示了探测固体中电子行为的新兴途径，以及长冈只能梦想的应用。他与理论物理学家尤金 · 德姆勒（Eugene Demler）和伊万 · 莫雷拉 · 纳瓦罗（Ivan Morera Navarro）合作，想要去探索是否可以利用类似在莫尔材料内发挥作用的动能机制来操纵带电粒子进行配对，这可能催生一种潜在的新超导机制。
“我并不是说这是可能的，”他说，“那是我想去探索的地方。”
资料来源 Quanta Magazine
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本文作者迈克尔·格列什科（Michael Greshko）是一位科学记者，曾为《美国国家地理》等知名期刊撰稿