PDF《设计阻挫》

2006 年,王瑞方等人首次制备 出四方人工自旋冰结构,并开展了 细致研究.这里的磁岛采用各向同 性铁镍合金制成,每个磁岛宏观磁 物理攫英 ・ ・

461 物理攫英 ・45卷(2016 年)

7 期图2四方人工自旋冰的光发射电子显微镜图像 (a)初始 态,长程无序;

(b)由(a)演化而来的中间态;

(c)系统演化到 最终的状态,即长程有序态 矩约为

107 μB,在室温下非常稳定, 因为翻转单个磁矩需要相当于106 K 的能量.四方自旋冰中相邻

4 个 自旋 共享一个格点,以格点为基 本单位的低能构型有两类:第I类和第 II 类,其共同点是两个 自旋 指向格点,两个 自旋 背向 格点,满足所谓的 冰规则 .既然 室温热涨落不足以促进系统演化, 就需要一种模拟涨落的环境,诸如 外加旋转的交变磁场来激励.旋转 的交变磁场初始系统经历各种不同 格点构型,从热力学意义上,能量 越低的构型保留下来的概率越高. 而实验也的确观测到这一现象:第I 类和第 II 类格点构型比例更高,说明 冰规则 在人工自旋冰中依然 适用.然而,第I类和第II类格点虽 然都满足冰规则,但没有净余磁 荷,其能量并不相等.由于相互垂 直的近邻作用强于相互平行的近邻 作用,第I类格点比第II类格点的能 量更低,所以四方自旋冰的基态是 由第I类格点构成的长程有序态. 与四方人工自旋冰不同,Kagome 人工自旋冰中近邻磁岛之 间的相互作用都是相同的,其几何 的高对称性使得该模型阻挫度更 高,热力学相更复杂.John Cum- ings 等人最早关注这一模型,他们 发现 Kagome 人工格点的磁矩排列 满足 准冰规则 :即三个磁矩之一 个指向格点、两个背向格点;

或者 两个指向格点,一个背向格点.由 于每个格点周围的自旋数目为奇 数,任一格点的进出自旋不能相互 抵消,因此 Kagome 人工自旋冰中 每个格点均保留净余磁荷,体系表 现出更强的磁荷关联作用. 人工自旋冰的热平衡过程 如前所述,人工自旋冰之磁矩 翻转需要很大能量,虽然实验上可 通过交变外磁场模拟系统涨落过 程,筛选出低能构型,但这一过程 毕竟不同于实际热涨落,所以实验 上很难得到完全由第 I 类格点组成 的基态构型.

2011 年,Chris Marrows 等人针 对四方人工自旋冰模型,观测到明 显的畴结构,每个畴由第 I 类格点 构成.在有序基态背景下还存在激 发行为,且这些激发态分布满足玻 尔兹曼分布律.这一结果似乎表明 他们得到了一个真正热力学平衡态 下的人工自旋冰行为.他们构建热 力学平衡态的方法是这样的:初始 磁岛只有几纳米厚,磁畴很容易翻 转,热力学演化使得系统倾向于能 量更低的第 I 型格点.随着磁岛渐 渐变厚,翻转磁畴需要能量不断增 大,直到磁畴无法翻转,系统构型被 锁定.由此,诞生了一个完美的热力 学平衡态人工自旋系统.受此启发, 其他小组也纷纷跟进,其中之一是将 样品温度升到磁岛居里温度之上,消 除磁岛的铁磁序;

随后缓慢冷却到居 里温度之下,磁岛 磁矩之相互作用使 磁矩重新排列,所 得之构型也接近热 力学平衡态. 另外,控制磁 岛厚度以及选取合 适材料,可以无需借助外场而自发 演化到热力学近平衡态.图2所示就 是乌普萨拉大学 Bj?rgvin Hj?rvars- son等人在室温下所看到的四方人工 自旋冰系统之动力学演化进程. 人工阻挫的其他相关问题 对人工阻挫物理的理解正在不 断深化,目前的研究已不限于热力 学与统计物理,也不满足于追逐新 的微观构型.人工阻挫物理的研究 范畴正在不断拓展.首先,人工阻 挫系统的基本单元可由多种不同材 料制成,如利用非磁性的弹性小球 在二维平面内密集堆积排列,形成 三角晶格.因为弹性小球之间存在 弹性排斥力,为降低弹性能,部分 小球将被排挤到面外,产生阻挫构 型.这一构型表现为任意相邻三个 小球不会同时在面内或者面外,与 三角自旋阻挫很类似.其次,在六 角阵列的约瑟夫森结和超导环中也 能够观测到类似阻挫现象.再次, 阻挫系统中电荷输运、畴壁动力 学、电子关联等等物理问题的研究 正方兴未艾,日益精进. 在几何构型上,除三角格点、 四方格点、Kagome 格点这些传统 几何阻挫晶格之外,二维准晶结构 中也能观测到阻挫现象.另外,可 以将人工自旋冰结构有意识地沉积 在一些新颖的材料基底上,包括生 长在二维电子气系统、超导材料、 拓扑绝缘体等基底上.人工自旋冰 特殊的阻挫构型可以对基底施加复 杂磁场,诱发基底出现新的物理现 象.事实上,越来越多新奇有趣的 物理结果正源源不断地被呈现出 来,使得我们有理由相信,人工阻 挫物理与材料的研究一定会愈加丰 富多彩,正所谓 天然阻挫隐春 秋,不胜人工巧落珠 . ・ ・ 462 ........