擾動(dòng)磁鐵中的電子自旋通常會(huì)導(dǎo)致被稱(chēng)為"自旋波"的激發(fā)，這些激發(fā)就像被小石子擊中的池塘上的波浪一樣在磁鐵中蕩漾。在一項(xiàng)新的研究中，萊斯大學(xué)的物理學(xué)家和他們的合作者發(fā)現(xiàn)了被稱(chēng)為"自旋激子"的截然不同的激發(fā)，它們也可以作為相干波在鎳基磁體中"蕩漾"。

在《自然-通訊》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告說(shuō)在鉬酸鎳這種層狀磁性晶體中發(fā)現(xiàn)了不尋常的特性。被稱(chēng)為電子的亞原子粒子類(lèi)似于微小的磁鐵，而且它們通常像羅盤(pán)針一樣在磁場(chǎng)中定位。在實(shí)驗(yàn)中，中子從晶體內(nèi)的磁性鎳離子中散射出來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)，每個(gè)鎳離子的兩個(gè)最外層電子表現(xiàn)得不同。這兩個(gè)電子不是像羅盤(pán)針一樣排列它們的自旋，而是在物理學(xué)家稱(chēng)之為自旋單子的現(xiàn)象中相互抵消。

該研究的通訊作者、萊斯大學(xué)的戴鵬程說(shuō)："這樣的物質(zhì)根本就不應(yīng)該是磁鐵。而且，如果一個(gè)中子從一個(gè)特定的鎳離子上散射下來(lái)，激發(fā)應(yīng)該保持在局部，而不是在樣品中傳播。"

因此，當(dāng)中子散射實(shí)驗(yàn)中的儀器檢測(cè)到不是一個(gè)，而是兩個(gè)系列的傳播波時(shí)，戴鵬程和他的合作者感到驚訝，每個(gè)波的能量都有很大的不同。

為了了解這些波的起源，有必要深入研究磁性晶體的原子細(xì)節(jié)。例如，來(lái)自晶體中原子的電磁力可以與磁場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，并影響鄰近原子內(nèi)的電子。這被稱(chēng)為晶體場(chǎng)效應(yīng)，它可以迫使電子自旋沿著與磁場(chǎng)方向不同的方向定向。探測(cè)鉬酸鎳晶體的晶場(chǎng)效應(yīng)需要額外的實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論解釋。

萊斯大學(xué)的合作者Emilia Morosan說(shuō)："實(shí)驗(yàn)小組和理論之間的合作對(duì)于描繪一幅完整的畫(huà)面和理解在這種化合物中觀察到的不尋常的自旋激發(fā)是最重要的。"

莫羅桑的研究小組利用比熱測(cè)量探測(cè)了晶體對(duì)溫度變化的熱反應(yīng)。從這些實(shí)驗(yàn)中，研究人員得出結(jié)論，在層狀鉬酸鎳中出現(xiàn)了兩種晶體場(chǎng)環(huán)境，而且這兩種環(huán)境對(duì)鎳離子的影響非常不同。

研究報(bào)告的共同作者、幫助解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的萊斯大學(xué)理論物理學(xué)家Andriy Nevidomskyy說(shuō)："在一種情況下，場(chǎng)效應(yīng)相當(dāng)弱，對(duì)應(yīng)的熱能約為10開(kāi)爾文。在幾開(kāi)爾文的溫度下，看到中子可以激發(fā)鎳原子的磁自旋波，這也許并不令人驚訝，因?yàn)殒囋邮艿竭@種第一類(lèi)晶體場(chǎng)的影響。但最令人費(fèi)解的是看到它們來(lái)自受第二種類(lèi)型影響的鎳原子。那些原子周?chē)兴拿骟w排列的氧原子，電場(chǎng)效應(yīng)幾乎強(qiáng)了20倍，這意味著激發(fā)的產(chǎn)生要難得多。"

Nevidomskyy說(shuō)："這可以理解為如果相應(yīng)的鎳離子上的自旋具有不同的"質(zhì)量"。這個(gè)比喻是指重的籃球與網(wǎng)球混在一起，為了激發(fā)第二種類(lèi)型的自旋，即較重的籃球，我們必須通過(guò)向材料照射更多的高能中子來(lái)施加更強(qiáng)的'踢'。"

由此產(chǎn)生的對(duì)鎳自旋的影響被稱(chēng)為自旋激子，人們通常會(huì)期望激子產(chǎn)生的"踢"的效果被限制在一個(gè)單一的原子中。但是實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果表明，"籃球"在一致地運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)造了一種意想不到的波。更令人驚訝的是，這些波似乎在相對(duì)較高的溫度下仍然存在，在那里晶體不再表現(xiàn)為磁鐵。

內(nèi)維多姆斯基和來(lái)自加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的理論家合著者萊昂-巴倫茨提供的解釋是： 較重的自旋激子--比喻中的籃球--隨著周?chē)^輕的磁性激子--比喻中的網(wǎng)球--的波動(dòng)而晃動(dòng)，如果這兩類(lèi)球之間的相互作用足夠強(qiáng)，較重的自旋激子參與到類(lèi)似于波的連貫運(yùn)動(dòng)中。

"特別有趣的是，"戴說(shuō)，"兩種鎳原子各自形成一個(gè)三角形晶格，因此這個(gè)晶格內(nèi)的磁相互作用是受挫的。"

在三角形晶格的磁性中，挫折指的是使所有的磁矩相對(duì)于它們的三個(gè)近鄰反平行（上下）對(duì)齊的困難。

了解磁挫折在三角形晶格中的作用是戴和Nevidomskyy兩人多年來(lái)一直致力于解決的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)之一。Nevidomskyy說(shuō)："找到一個(gè)謎題，與自己的預(yù)期相反，然后感到一種了解其起源的滿(mǎn)足感，這是非常令人興奮的。"