研究人员展示了如何通过压力主动改变磁性

磁性的产生取决于电子的行为方式。例如，基本粒子可以用它们的电荷产生电流，从而感应出磁场。然而，磁性也可以通过材料中磁矩(自旋)的集体排列而产生。然而，迄今为止，连续改变晶体中的磁性类型仍然是不可能的。

由维也纳工业大学教授AndrejPustogow领导的一个国际研究小组现在已经成功做到了这一点：“通过按下按钮”来改变磁性。为此，该团队通过施加压力不断改变单晶中的磁相互作用。研究人员最近在《物理评论快报》上发表了他们的研究结果。

数千年来，人们一直对磁力着迷，它首先使许多技术应用成为可能。从指南针、电动机到发电机——如果没有铁磁性，这些设备和其他设备就不会存在。

虽然铁磁性已经得到充分研究，但基础研究对其他形式的磁性越来越感兴趣。这些对于安全数据存储和作为量子计算机的潜在平台特别感兴趣。“然而，寻找新的磁性形式并完全控制它们是一项极其困难的努力，”研究负责人安德烈·普斯托戈说。

自旋可以被想象成小罗盘针，它们可以在外部磁场中自行对齐，并且本身也有磁场。在用于永磁体的铁磁性的情况下，所有电子自旋彼此平行排列。在电子自旋的某些排列中，例如在普通的正方形、棋盘型晶格中，自旋的反平行排列也是可能的：相邻自旋总是交替地指向相反的方向。

对于三角形晶格(或出现三角形结构的晶格，例如更复杂的戈薇晶格)，完全反平行排列是不可能的：如果三角形的两个角具有相反的自旋方向，则其余边必须与两个方向之一匹配。这两个选项(向上旋转或向下旋转)完全相同。

固态物理学家普斯托戈解释说：“这种存在多个相同替代方案的可能性被称为‘几何挫败’，它发生在电子自旋排列成三角形、戈薇或蜂窝晶格的晶体结构中。”结果，形成了随机排列的自旋对，其中一些自旋根本找不到伙伴。

普斯托戈说：“剩余的不成对磁矩可能会相互纠缠，通过外部磁场进行操纵，从而用于量子计算机中的数据存储或计算操作。”

“在实际材料中，我们距离这种理想的挫败状态还很远。首先，我们需要能够精确控制晶格的对称性，从而精确控制磁性，”普斯托戈说。虽然具有强几何挫折的材料已经可以生产出来，但从弱挫折到强挫折的连续变化以及反之亦然还不可能，尤其是在同一个晶体中。

为了“通过按下按钮”改变所研究材料的磁性，研究人员将晶体置于压力下。从戈薇结构开始，晶格因单轴应力而变形，从而改变了电子之间的磁相互作用。

“我们使用机械压力迫使系统进入首选的磁方向。有时在现实生活中，压力可以减少挫败感，因为我们被迫做出决定，而我们不必自己做出决定，”普斯托戈说。

该团队成功将磁相变温度提高了10%以上。“乍一看这似乎没什么大不了，但如果水的冰点提高10%，例如，它就会冻结在27°C，这会给我们所知的世界带来严重后果，”Pustogow解释道。

虽然在目前的情况下，机械压力减少了几何挫败，但研究小组现在的目标是增加挫败，以完全消除反铁磁性并实现如上所述的量子自旋液体。“通过单轴机械应力主动控制几何挫败的可能性为‘按一下按钮’对材料特性进行意想不到的操纵打开了大门，”普斯托戈说。