在材料科學領域，有一個困擾科學家們數十年的謎題，如今終于被解開了！一個研究團隊首次在準晶體中發現了反鐵磁體，這一突破為相關領域的研究開辟了全新的方向。

準晶體是一種特殊的固體材料，它的原子結構很獨特。和普通晶體不同，普通晶體的原子排列是有規律、周期性重復的，而準晶體雖然原子排列也有秩序，但卻不具備周期性，這種特性被稱為準周期性。正是因為這種特殊結構，準晶體擁有一些傳統晶體學里不存在的對稱現象。自從準晶體被發現并獲得諾貝爾獎后，它在凝聚態物理學領域就備受關注，其獨特的磁性和在自旋電子學、磁制冷等領域的應用潛力，吸引了眾多科學家的目光。

此前，在由金、鎵和稀土元素組成的二十面體準晶體（iQCs）家族中，科學家發現了鐵磁性，這雖然是個重要發現，但因為鐵磁序的產生并不依賴平移周期性，所以還算在意料之中。然而，反鐵磁性作為另一種主要的磁序形式，對晶體的底層對稱性要求極高，在準周期系統中極難實現，一直以來都沒有直接的實驗證據。盡管理論模型早就預測某些準晶體中可能存在反鐵磁性，但此前研究的大多數磁性二十面體準晶體都呈現出類似自旋玻璃的行為，也就是磁性狀態無序、凍結，沒有長程有序性，這也讓人們一直爭論準周期性和反鐵磁序是否根本不相容。

現在，由東京理科大學材料科學與技術系的田村隆司領導的研究團隊取得了重大突破，他們在一種真正的準晶體中發現了反鐵磁性。研究成果于 2025 年 4 月 11 日發表在《自然?物理學》雜志上。田村隆司表示：“就像 1949 年首次在周期晶體中發現反鐵磁性一樣，我們這次提供了在二十面體準晶體中存在反鐵磁性的首個實驗證據。”

研究人員在發現金 - 鎵 - 稀土元素二十面體準晶體存在鐵磁性的基礎上，又發現了一種新型的蔡氏型金 - 銦 - 銪（Au-In-Eu）二十面體準晶體，它具有五重、三重和二重旋轉對稱性。通過一系列的體性質測量和中子實驗，研究人員對其磁性進行了深入研究。磁性磁化率測量顯示，在零場冷卻和場冷卻條件下，溫度為 6.5 開爾文（K）時出現尖銳的尖峰，這與反鐵磁轉變的特征相符；比熱測量也在相同溫度出現峰值，進一步證實了這種尖峰是由長程磁序引起的。

為了進一步驗證結果，研究團隊還在 10K 和 3K 的溫度下對該準晶體進行了中子衍射測量。在 3K 時，他們觀察到了額外的磁性布拉格峰，這些峰在衍射圖案中表現為尖銳的強度峰，表明存在有序的磁結構，而且在溫度依賴測量中，這些峰在 6.5K 的轉變溫度附近突然增加，這是在真正的準晶體中存在長程反鐵磁序的首個明確證據。

研究人員還發現，這種金 - 銦 - 銪二十面體準晶體出現反鐵磁相的原因，和之前研究的二十面體準晶體不同。之前的準晶體通常具有負的居里 - 外斯溫度，而這種新型準晶體的居里 - 外斯溫度為正。有趣的是，通過元素替換稍微增加每個原子的電子比，反鐵磁相就會消失，準晶體表現出類似自旋玻璃的行為，和之前研究的準晶體一樣。這表明居里 - 外斯溫度為正的二十面體準晶體更有利于建立反鐵磁序，為未來通過控制每個原子的電子比來開發新型反鐵磁準晶體提供了新的思路。

田村隆司補充說：“這一發現終于解決了真正的準晶體中是否可能存在反鐵磁序這個長期存在的問題。反鐵磁準晶體可能實現前所未有的功能，比如超軟磁響應，未來還將在自旋電子學和磁制冷領域引發一場革命。” 這一發現不僅解開了困擾科學界數十年的謎題，還符合聯合國的可持續發展目標，有望助力構建節能電子產品，開啟準周期反鐵磁體這一全新的研究領域，其影響遠遠超出了自旋電子學范疇。

參考資料：DOI： 10.1038/s41567-025-02858-0