二十面體準晶體中發現反鐵磁性

科技日報訊 （記者張夢然）在一項開創性研究中，日本東京理科大學領導的國際研究團隊在真實的準晶體中發現了反鐵磁性。這是自1949年首次報道週期性晶體中的反鐵磁性以來，科學家發現的第一個實驗證據，顯示在二十面體準晶體（iQC）中也會產生反鐵磁性。相關論文11日發表在《自然·物理學》雜誌上。

準晶體是一種固體材料，表現出非週期性的長程原子序。由於這種“準週期”性質，準晶體具有常規晶體中不存在的非常規對稱性。研究人員一直對準晶體投入極大關注，研究它們獨特的準週期磁序，嘗試開發它們在自旋電子學和磁製冷中的可能應用。

研究團隊此前曾在金—鎵—稀土（Au-Ga-R）iQC中發現了鐵磁性，但這一觀察結果並不令人感到驚訝，因為平移週期性——晶體中原子的重複排列，並不是鐵磁有序出現的先決條件。相比之下，自然界中發現的另一種基本磁序類型，即反鐵磁性，本質上對晶體對稱性更敏感。

基於他們在Au-Ga-R iQC中發現的鐵磁性，研究團隊確定了一種新型的Tsai型金—銦—銪（Au-In-Eu）iQC，表現出5倍、3倍和2倍的旋轉對稱性。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）的温度下都有一個尖鋭的峯值，這與反鐵磁轉變一致。比熱測量還顯示在同一温度下有一個峯值，驗證了尖峯是由於長程磁序引起的。

為進一步驗證結果，團隊在10K和3K温度下對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峯（衍射圖樣中的尖鋭強度峯，表明有序的磁性結構），在温度依賴性測量中，該峯始終顯示在6.5K的轉變温度附近突然增加，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。

這一成果解開了一個長達數十年的謎團，即在實際準晶體中是否可能出現反鐵磁序。新發現不僅重新激發了對反鐵磁準晶體的尋找，而且還開闢了準週期反鐵磁體研究的新領域，其影響遠遠超出了自旋電子學。