在材料科學(xué)領(lǐng)域，有一個(gè)困擾科學(xué)家們數(shù)十年的謎題，如今終于被解開了！一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)首次在準(zhǔn)晶體中發(fā)現(xiàn)了反鐵磁體，這一突破為相關(guān)領(lǐng)域的研究開辟了全新的方向。

準(zhǔn)晶體是一種特殊的固體材料，它的原子結(jié)構(gòu)很獨(dú)特。和普通晶體不同，普通晶體的原子排列是有規(guī)律、周期性重復(fù)的，而準(zhǔn)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(zhǔn)周期性。正是因?yàn)檫@種特殊結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)晶體擁有一些傳統(tǒng)晶體學(xué)里不存在的對(duì)稱現(xiàn)象。自從準(zhǔn)晶體被發(fā)現(xiàn)并獲得諾貝爾獎(jiǎng)后，它在凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域就備受關(guān)注，其獨(dú)特的磁性和在自旋電子學(xué)、磁制冷等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，吸引了眾多科學(xué)家的目光。

此前，在由金、鎵和稀土元素組成的二十面體準(zhǔn)晶體（iQCs）家族中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鐵磁性，這雖然是個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，但因?yàn)殍F磁序的產(chǎn)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(duì)晶體的底層對(duì)稱性要求極高，在準(zhǔn)周期系統(tǒng)中極難實(shí)現(xiàn)，一直以來都沒有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。盡管理論模型早就預(yù)測(cè)某些準(zhǔn)晶體中可能存在反鐵磁性，但此前研究的大多數(shù)磁性二十面體準(zhǔn)晶體都呈現(xiàn)出類似自旋玻璃的行為，也就是磁性狀態(tài)無序、凍結(jié)，沒有長(zhǎng)程有序性，這也讓人們一直爭(zhēng)論準(zhǔn)周期性和反鐵磁序是否根本不相容。

現(xiàn)在，由東京理科大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)系的田村隆司領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)取得了重大突破，他們?cè)谝环N真正的準(zhǔn)晶體中發(fā)現(xiàn)了反鐵磁性。研究成果于 2025 年 4 月 11 日發(fā)表在《自然?物理學(xué)》雜志上。田村隆司表示：“就像 1949 年首次在周期晶體中發(fā)現(xiàn)反鐵磁性一樣，我們這次提供了在二十面體準(zhǔn)晶體中存在反鐵磁性的首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。”

研究人員在發(fā)現(xiàn)金 - 鎵 - 稀土元素二十面體準(zhǔn)晶體存在鐵磁性的基礎(chǔ)上，又發(fā)現(xiàn)了一種新型的蔡氏型金 - 銦 - 銪（Au-In-Eu）二十面體準(zhǔn)晶體，它具有五重、三重和二重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。通過一系列的體性質(zhì)測(cè)量和中子實(shí)驗(yàn)，研究人員對(duì)其磁性進(jìn)行了深入研究。磁性磁化率測(cè)量顯示，在零場(chǎng)冷卻和場(chǎng)冷卻條件下，溫度為 6.5 開爾文（K）時(shí)出現(xiàn)尖銳的尖峰，這與反鐵磁轉(zhuǎn)變的特征相符；比熱測(cè)量也在相同溫度出現(xiàn)峰值，進(jìn)一步證實(shí)了這種尖峰是由長(zhǎng)程磁序引起的。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)還在 10K 和 3K 的溫度下對(duì)該準(zhǔn)晶體進(jìn)行了中子衍射測(cè)量。在 3K 時(shí)，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(xiàn)為尖銳的強(qiáng)度峰，表明存在有序的磁結(jié)構(gòu)，而且在溫度依賴測(cè)量中，這些峰在 6.5K 的轉(zhuǎn)變溫度附近突然增加，這是在真正的準(zhǔn)晶體中存在長(zhǎng)程反鐵磁序的首個(gè)明確證據(jù)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種金 - 銦 - 銪二十面體準(zhǔn)晶體出現(xiàn)反鐵磁相的原因，和之前研究的二十面體準(zhǔn)晶體不同。之前的準(zhǔn)晶體通常具有負(fù)的居里 - 外斯溫度，而這種新型準(zhǔn)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(gè)原子的電子比，反鐵磁相就會(huì)消失，準(zhǔn)晶體表現(xiàn)出類似自旋玻璃的行為，和之前研究的準(zhǔn)晶體一樣。這表明居里 - 外斯溫度為正的二十面體準(zhǔn)晶體更有利于建立反鐵磁序，為未來通過控制每個(gè)原子的電子比來開發(fā)新型反鐵磁準(zhǔn)晶體提供了新的思路。

田村隆司補(bǔ)充說：“這一發(fā)現(xiàn)終于解決了真正的準(zhǔn)晶體中是否可能存在反鐵磁序這個(gè)長(zhǎng)期存在的問題。反鐵磁準(zhǔn)晶體可能實(shí)現(xiàn)前所未有的功能，比如超軟磁響應(yīng)，未來還將在自旋電子學(xué)和磁制冷領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)革命。” 這一發(fā)現(xiàn)不僅解開了困擾科學(xué)界數(shù)十年的謎題，還符合聯(lián)合國(guó)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，有望助力構(gòu)建節(jié)能電子產(chǎn)品，開啟準(zhǔn)周期反鐵磁體這一全新的研究領(lǐng)域，其影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自旋電子學(xué)范疇。

參考資料：DOI： 10.1038/s41567-025-02858-0