科学家在利用光可视化和操控量子材料中微小磁区方面取得了重大进展。

此次突破不仅加深了对量子层面磁性材料的了解，还通过探索反铁磁体推动了下一代电子和存储设备的发展，反铁磁体所表现出的独特性能使其成为此类应用的理想之选。

量子磁性

当某物如磁铁般吸引我们时，我们会仔细审视。而当磁铁吸引物理学家时，他们会从量子角度审视。

大阪都市大学与东京大学的研究人员在使用光来可视化及操控量子材料中的一种被称为磁畴的小型磁区方面取得了显著进展。通过施加电场，他们能够控制这些磁畴，深化我们对量子层级磁性材料的了解，并为未来的技术进步奠定了基础。

虽然我们很多人对吸附在金属表面的磁铁都很熟悉，但还存在其他类型的磁铁，如反铁磁体，它们则不会吸附在金属表面。这些磁铁已经引起了世界各地技术开发人员的极大兴趣。

研究量子反铁磁体的挑战

反铁磁体是一种磁性材料，其中的磁力或自旋指向相反的方向，相互抵消，因此不产生净磁场。因此，这些材料既没有明显的北极和南极，也不具备传统铁磁体的特性。

反铁磁体，特别是那些具有准一维量子特性的反铁磁体（即其磁性主要局限于一维原子链）被认为是下一代电子和存储设备潜在的候选材料。然而，反铁磁材料的独特性并不仅仅在于它们不会吸附在金属表面，研究这些前景广阔但又极具挑战性的材料并非易事。

大阪市立大学副教授兼本研究第一作者金村健太表示：“由于准一维量子反铁磁材料的磁转变温度低且磁矩小，因此很难观测到其磁畴。”

观测量子材料的新技术

磁畴是磁性材料内部的小区域，在这些小区域内，原子的自旋方向相同。这些磁畴之间的边界被称为畴壁。

由于传统的观测方法被证明无效，研究团队以创造性的视角研究了准一维量子反铁磁体 BaCu2Si2O7。他们利用了非互易方向二向色性——一种材料的光吸收在光的方向或其磁矩反转时会发生变化的现象。这使得他们能够可视化 BaCu2Si2O7 中的磁畴，揭示出单个晶体中相反磁畴共存，且其磁畴壁主要沿着特定的原子链或自旋链排列。

量子域的可视化和操控

木村（Kimura）说：“眼见为实，理解始于直接观察。我很激动，我们能用简单的光学显微镜观察到这些量子反铁磁体的磁畴。”

研究团队还证实，由于磁电耦合现象（即磁性和电性相互关联）的作用，可通过电场来移动这些磁畴壁。即便在移动过程中，磁畴壁也保持着原来的方向。

木村（Kimura）说：“这种光学显微镜方法简单快捷，未来或许可以实现畴壁运动的实时可视化。”

对未来量子技术的影响

该研究在理解和操控量子材料方面迈出了重要一步，为技术应用开拓了新的可能性，并探索了物理学的新领域，这可能会推动未来量子器件和材料的发展。

木村（Kimura）说：“将这种观测方法应用于各种准一维量子反铁磁体，有助于深入了解量子涨落是如何影响磁畴的形成和运动的，从而有助于利用反铁磁材料设计下一代电子产品。”

他们的研究发表于《物理评论快报》。

参考文献：“一维准量子反铁磁体BaCu2Si2O7中磁畴的成像与控制”，由Masato Moromizato、Takeshi Miyake、Takatsugu Masuda、Tsuyoshi Kimura和Kenta Kimura撰写，发表于2024年8月22日，《物理评论快报》。数字对象唯一标识符（DOI）：10.1103/PhysRevLett.133.086701