科技日報記者 張夢然

在一項開創(chuàng)性研究中，日本東京理科大學領(lǐng)導的國際研究團隊在真實的準晶體中發(fā)現(xiàn)了反鐵磁性。這是自1949年首次報道周期性晶體中的反鐵磁性以來，科學家發(fā)現(xiàn)的第一個實驗證據(jù)，顯示在二十面體準晶體（iQC）中也會產(chǎn)生反鐵磁性。相關(guān)論文11日發(fā)表在《自然·物理學》雜志上。

準晶體是一種固體材料，表現(xiàn)出非周期性的長程原子序。由于這種“準周期”性質(zhì)，準晶體具有常規(guī)晶體中不存在的非常規(guī)對稱性。研究人員一直對準晶體投入極大關(guān)注，研究它們獨特的準周期磁序，嘗試開發(fā)它們在自旋電子學和磁制冷中的可能應(yīng)用。

研究團隊此前曾在金—鎵—稀土（Au-Ga-R）iQC中發(fā)現(xiàn)了鐵磁性，但這一觀察結(jié)果并不令人感到驚訝，因為平移周期性——晶體中原子的重復排列，并不是鐵磁有序出現(xiàn)的先決條件。相比之下，自然界中發(fā)現(xiàn)的另一種基本磁序類型，即反鐵磁性，本質(zhì)上對晶體對稱性更敏感。

基于他們在Au-Ga-R iQC中發(fā)現(xiàn)的鐵磁性，研究團隊確定了一種新型的Tsai型金—銦—銪（Au-In-Eu）iQC，表現(xiàn)出5倍、3倍和2倍的旋轉(zhuǎn)對稱性。該團隊進行了一系列體特性測量和中子實驗，以檢查其磁性。磁化率測量顯示，在零場冷卻和場冷條件下，在6.5開爾文（K）的溫度下都有一個尖銳的峰值，這與反鐵磁轉(zhuǎn)變一致。比熱測量還顯示在同一溫度下有一個峰值，驗證了尖峰是由于長程磁序引起的。

為進一步驗證結(jié)果，團隊在10K和3K溫度下對iQC進行了中子衍射測量。他們在3K處觀察到額外的磁性布拉格峰（衍射圖樣中的尖銳強度峰，表明有序的磁性結(jié)構(gòu)），在溫度依賴性測量中，該峰始終顯示在6.5K的轉(zhuǎn)變溫度附近突然增加，為實際準晶體中長距離反鐵磁有序提供了第一個明確的證據(jù)。

這一成果解開了一個長達數(shù)十年的謎團，即在實際準晶體中是否可能出現(xiàn)反鐵磁序。新發(fā)現(xiàn)不僅重新激發(fā)了對反鐵磁準晶體的尋找，而且還開辟了準周期反鐵磁體研究的新領(lǐng)域，其影響遠遠超出了自旋電子學。