大家都见过普通的金属回形针会粘在磁铁上。科学家将此类含铁材料归类为铁磁体。一个多世纪前，物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和万德·德哈斯报告了铁磁体的惊人效应。如果你用一根电线悬挂一个铁圆筒并将其暴露在磁场中，只要你简单地反转磁场方向，它就会开始旋转。
科学家们长期以来一直致力于了解微观自旋构型如何在宏观长度尺度上产生奇异特性。然而，对于没有净磁矩的反铁磁体，自旋排序如何与宏观运动耦合仍然难以捉摸。
铁磁体和反铁磁体之间的区别与电子自旋的特性有关。这种旋转是有方向的。科学家用箭头表示方向，箭头可以指向上、下或之间的任何方向。在上面提到的磁化铁磁体中，与铁原子中所有电子相关的箭头可以指向相同的方向，例如向上。反转磁场会反转电子自旋的方向。因此，所有箭头都指向下方。
北京时间2023年8月2号23时，美国阿贡国家实验室Haidan Wen教授、麻省理工学院Nuh Gedik教授与华盛顿大学许晓栋教授在《Nature》期刊上发表了一篇题为“Ultrafast deposition of faceted lithium polyhedra by outpacing SEI formation”的新论文。值得一提的是，许晓栋教授，1个多月连发3篇NS正刊，这已经是发表的第22篇NS正刊了（他，专注一个领域二十余年，发表21篇Nature、Science正刊！）。本文第一作者分别为加州大学伯克利分校化学系Alfred Zong, 张琦(现为南京大学教授)，周发然（现为中国科学院物理研究所副研究员）。
研究人员报告了 “反”铁磁体中类似但不同的效应。这可能在需要超精确和超快速运动控制的设备中具有重要的应用。一个例子是用于生物医学应用的高速纳米电机，例如用于微创诊断和手术的纳米机器人。
【实验内容】
在这项实验中，研究人员利用电子自旋这一微观特性在圆柱体（宏观物体）中引发机械响应。
例如，在反铁磁体中，电子自旋不是全部朝上，而是在相邻电子之间从上到下交替。这些相反的自旋相互抵消，因此反铁磁体不会像铁磁体那样响应磁场的变化。
研究人员设想：电子自旋能否在反铁磁体中引发与爱因斯坦-德哈斯实验中的圆柱体旋转不同但本质上相似的响应？
为了回答这个问题，研究人员准备了三硫化铁磷(FePS3)（一种反铁磁体）的样品。该样品由多层FePS3组成，每层只有几个原子厚。与传统磁体不同，FePS3的特殊之处在于它以层状结构形成，层间相互作用极其微弱。
图1.飞秒激光脉冲引起的倒易晶格的相干跷跷板振荡
研究人员设计了一系列验证实验，向这种层状材料发射超快激光脉冲，并通过光学、X射线和电子脉冲测量材料特性由此产生的变化。他们发现：脉冲通过扰乱电子自旋的有序方向来改变材料的磁性。电子自旋的箭头不再有序地上下交替，而是无序的。电子自旋的这种扰乱导致了整个样品的机械响应。由于各层之间的相互作用很弱，样品的一层能够相对于相邻层来回滑动。
这种运动速度超快，每次振荡10到100皮秒（一皮秒等于万亿分之一秒）。速度如此之快，在一皮秒内，光仅传播三分之一毫米。
对具有原子尺度空间分辨率和皮秒测量时间分辨率的样品进行测量需要世界一流的科学设施。为此，该团队依靠尖端的超快探针，使用电子束和X射线束来分析原子结构。
图2.反铁磁状态下剪切振荡的巨大增强
受华盛顿大学光学测量的启发，最初的研究采用了SLAC国家加速器实验室的兆电子伏超快电子衍射设施。在麻省理工学院的超快电子衍射装置中进行了进一步的研究。这些结果得到了美国能源部阿贡纳米材料中心(CNM)超快电子显微镜设施以及先进光子源(APS)11-BM和7-ID光束线的工作的补充。
层状反铁磁体中的电子自旋在比皮秒更长的时间内也会产生影响。在一项使用 APS 和 CNM 设施的早期研究中，研究小组成员观察到，在电子自旋从无序行为向有序行为转变时，各层的波动运动急剧减慢。
图3.Z字形与温度相关的超快退磁
本研究中部署的四个时间分辨探针的协同作用提供了超薄膜中独特的自旋介导剪切响应的前所未有的细节，该响应在反铁磁体消磁后几皮秒内发生，扩展了自旋机械耦合在不存在的情况下的概念平衡状态下的宏观磁矩。
图4.放大的相干剪切振荡下的磁弹性耦合的微观视图
【总结】
本文观察到反铁磁纳米层薄膜的倒晶格峰出现类似跷跷板的旋转，其千兆赫兹结构共振在冷却到尼尔温度以下后表现出超过数量级的放大。通过使用一套超快衍射和显微镜技术，研究人员可以直接在纳米尺度上可视化倒易空间中的这种自旋驱动的旋转。这种运动对应于真实空间中的层间剪切，其中薄膜的各个微块表现为相干振荡器，它们是锁相的并且沿着相同的面内轴剪切。使用时间分辨光学偏振法，研究人员进一步表明增强的机械响应与超快退磁密切相关，超快退磁释放存储在局部应变梯度中的弹性能来驱动振荡器。该工作不仅提供了反铁磁体自旋介导的机械运动的第一个微观视图，而且还确定了实现高达毫米波段的高频谐振器的新途径，因此具有在超快时间尺度上控制磁态的能力可以很容易地转移到纳米器件的机械性能工程中。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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