不同强度的光束（黄色圆柱体）有助于可视化由磁畴壁（红线）分隔的磁畴（明区和暗区）。图片来源：大阪都立大学

当有什么东西像磁铁一样吸引我们时，我们会仔细观察。当磁铁吸引物理学家时，他们会观察量子。来自大阪都立大学和东京大学的科学家们成功地利用光在一种专门的量子材料中可视化了微小的磁性区域，称为磁畴。他们的研究发表在《物理评论快报》上。

此外，他们通过施加电场成功地操纵了这些区域。他们的发现为磁性材料在量子水平上的复杂行为提供了新的见解，为未来的技术进步铺平了道路。

我们大多数人都熟悉粘附在金属表面的磁铁。但是那些没有的呢？其中包括反铁磁体，它已成为全球技术开发人员的主要关注点。

反铁磁体是磁性材料，其中磁力或自旋指向相反的方向，相互抵消，导致没有净磁场。因此，这些材料既没有明显的北极和南极，也不像传统的铁磁体那样表现。

反铁磁体，尤其是那些具有准一维量子特性的反铁磁体，这意味着它们的磁性主要局限于一维原子链，被认为是下一代电子和存储器件的潜在候选者。

然而，反铁磁材料的独特性不仅在于它们对金属表面缺乏吸引力，研究这些有前途但具有挑战性的材料并非易事。

“由于准一维量子反铁磁材料的磁转变温度低且磁矩小，因此很难观察这些材料中的磁畴，”大阪都立大学副教授、该研究的主要作者 Kenta Kimura 说。

磁畴是磁性材料中的小区域，其中原子的自旋沿同一方向排列。这些域之间的边界称为域墙。

由于传统的观察方法被证明是无效的，研究小组创造性地研究了准一维量子反铁磁体 BaCu2四2O7.他们利用了非互易方向二色性——一种材料吸收光在光的方向或其磁矩反转时发生变化的现象。

这使他们能够可视化 BaCu 中的磁畴2四2O7，揭示了相反的结构域在单个晶体中共存，并且它们的结构畴壁主要沿着特定的原子链或自旋链排列。

“眼见为实，理解始于直接观察，”木村说。“我很高兴我们可以使用简单的光学显微镜来可视化这些量子反铁磁体的磁畴。”

该团队还证明，由于一种称为磁电耦合的现象，这些畴壁可以使用电场移动，其中磁和电特性相互连接。即使在移动时，域墙也保持其原始方向。

“这种光学显微镜方法简单明了，未来有可能实现移动畴壁的实时可视化，”Kimura 说。

这项研究标志着在理解和操纵量子材料方面向前迈出了重要一步，为技术应用开辟了新的可能性，并探索了物理学的新前沿，这可能导致未来量子器件和材料的发展。

“将这种观察方法应用于各种准一维量子反铁磁体可以为量子涨落如何影响磁畴的形成和运动提供新的见解，有助于使用反铁磁材料设计下一代电子设备，”Kimura 说。

更多信息：Masato Moromizato 等人，准一维量子反铁磁体 BaCu 中磁畴的成像和控制2四2O7，物理评论快报（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.086701

期刊信息： Physical Review Letters