PDF《设计阻挫》

・45卷(2016 年)

7 期图1两种常见的二维人工自旋冰模型:四方格点模型(上) 和Kagome 格点模型(中).

从左向右依次为原子力显微镜图 像、磁力显微镜图像和相对应的自旋构型图.最下方为四方 自旋冰格点构型分类,共计

16 种自旋构型,按照对称性可 分为四类,从左向右能量依次升高 设计阻挫 (南京大学 谢云龙、 刘俊明 编译自Ian Gilbert. Physics Today, 2016, (7):54) 所谓几何阻挫,是指缘起材料 晶格几何结构的一类现象.阻挫系 统中,如果近邻作用无法同时满足 能量极小,就会出现几何阻挫.最 简单的自旋阻挫系统由三个位于正 三角形顶点且两两之间反铁磁耦合 的伊辛(Ising)自旋组成,无论何种 自旋构型都无法使所有近邻自旋满 足反铁磁排列.相对于此,复杂情 况下的自旋阻挫往往是系统晶格结 构以及特定自旋相互作用叠加的结 果.在阻挫之茫茫世界中,自旋相 互作用之间的竞争会导致许多新奇 物理现象.就像自旋液体,即便温 度极低,自旋涨落却依然很强,使 之无法弛豫到基态,皆因于此. 近年来几何阻挫的研究以 自 旋冰 材料最为夺目.所谓自旋 冰,其晶格由正四面体共点链接, 形成烧绿石结构.每个四面体顶点 都被局域磁矩很强的磁性稀土离子 占据,而晶体场的影响迫使稀土离 子磁矩表以伊辛自旋形式,自旋方 向由平行于相邻两个四面体体心连 线指向四面体体心或体外两个方 向.由此,自旋冰中的阻挫就表现 为每个四面体单元内局域能量最低 的自旋排列方式是:两个自旋指向 体心,两个自旋指向体外,即所谓 两进两出 自旋构型,类比于冰中 氢氧之间的空间距离.也因此,这 种自旋排列规则被称为 冰规则 , 想象颇为丰富浪漫.由于每个四面 体满足 冰规则 的自旋排列共有

6 种,所以自旋冰在低温下存在大 量简并态,在实验上表现为自旋冰 系统在极低温下依然保有很大剩余 磁熵,令人印象深刻. 当前对自旋冰的研究高度关注 其中的元激发现象与物理,个中缘 由皆因自旋冰中激发出的准粒子可 以看作磁单极子,意图挑战磁单极 不存在的观念.只是,这里所说的 磁单极子跟狄拉克梦里的磁单极子 有所不同.如果自旋冰的 两进两 出 构型被破坏,就会出现 三进 一出 或者 三出一进 的构型,看 起来这个四面体体心 产生 了一个 净余的磁荷.与狄拉克磁单极不同, 这里的磁单极子一定是成对出现,一 正一负,正负磁单极子均可以独立 地在晶格中运动,两两被所谓的 狄拉克弦 (Dirac string)所联系. 不仅如此,过去十年间,科学 家借助微加工技术和显微观测技术 开启了一条研究自旋冰的新途径 ――人工自旋冰. 相对于天然自旋冰 实验研究所面临的 巨大挑战:极低的 温度以及极高精度 的测量技术,人工 自旋冰的实现与探 索就变得容易很多.通过把自旋结 构和相互作用关系 映射到二维面内, 用单畴磁岛的宏观 磁矩来代替微观自 旋,可以构建出人 工自旋冰模型.这 种模型体系一般在 微米甚至更大尺度,便于实空间直 接观测,磁矩大小在百万玻尔磁子 的量级,属于宏观 自旋 .这一途 径非常典型地体现了凝聚态物理中 的层展思路,活灵活现地抽取出自 旋冰物理的核心,展现了所谓 设 计阻挫 ,令人激赏. 人工自旋冰的构建 ――磁岛和格点构型 当前受关注的人工自旋冰模型 有两类:四方自旋冰模型和Kagome 自旋冰模型,如图1所示.其中,每 一磁岛都被设计成长条形,以利用 磁岛中磁矩内禀的单轴各向异性, 实现伊辛磁矩沿着长边方向.