来自香港大学 (HKU)、德克萨斯理工大学 (TTH) 和密歇根大学 (UMich) 的物理学家团队在范德华 (vdW) 磁性材料研究中取得了重要发现，范德华 (vdW) 磁性材料是一类特殊的材料，具有独特的电子和磁性，使其在各种应用中具有吸引力。

物理学家首次捕捉到二维磁性材料中厚度相关的转变

他们的研究首次通过实验观察到镍磷三硫化物(NiPS3)从三维(3D)长程有序状态到二维(2D)平面图案残留有序状态的转变， NiPS3 是一种范德华材料，因其在电子设备和储能方面的潜在应用而被研究。

他们展示了材料在变薄时磁性的变化，揭示了如何使用这种材料的新见解。

这项研究意义重大，因为它有助于我们了解如何在极小的尺度上控制材料的磁性，从而带来技术进步，例如更高效的电子产品、高密度数据存储和能耗更低的创新计算设备。

他们的研究成果刚刚发表在《自然物理学》杂志上。

揭开费曼的遗产：聚焦层状材料

“如果层数合适，我们能用分层结构做什么?”1965 年诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼在他1959 年的著名演讲《底部有足够的空间》中提出了这个有趣的问题。这句话当时并没有引起太多关注，但在 20 世纪 90 年代又被重新审视，因为它与纳米技术的基础有着根本性的联系。

近年来，范德华材料(如 NiPS 3)的出现为探索费曼问题提供了令人兴奋的机会。这些材料由易于堆叠或分离的层组成，使研究人员能够研究其在不同厚度下的特性。

为了解答费曼的问题，研究团队将注意力转向了 NiPS 3，这种材料在厚度减少到几层甚至单层时表现出令人着迷的磁性行为。这种独特的特性使 NiPS 3成为研究其磁性特征如何随厚度变化而演变的理想候选材料。

在凝聚态物理学中，研究材料的关键方法之一是了解材料在不同相或状态之间如何转变，因为材料的特性(如温度或厚度)会发生变化。这些转变通常涉及材料对称性的变化，这一概念称为对称性破缺。

在 NiPS 3中，研究人员观察到了中间对称性破缺，从而产生了残留序。正如“残留”一词指的是进化过程中某些特征的保留，这里的残留序也可以看作是对称性破缺过程中的保留。

当材料变薄时，主要磁性长程有序状态会融化或分解为更简单的形式，在 NiPS 3 的情况下，即二维残留有序状态(称为 Z 3 Potts-nematicity)，就会发生这种情况。与涉及所有对称性破坏的传统对称性破坏不同，残留有序性仅涉及某些对称性的破坏。

虽然从理论角度来看有很多例子，但实验上实现残留有序仍然具有挑战性。然而，对这种二维磁性材料的研究首次揭示了这个问题，表明这种现象可以通过维度交叉来观察。

当理论与计算遇到实验

为了捕捉残留有序的出现，研究小组研究了NiPS 3，并利用氮空位(NV)自旋弛豫法和光学拉曼准弹性散射来表征初级有序的熔化过程和厚度变化时残留有序的出现(见图1)。

为了更好地理解NiPS3中维度交叉的实验结果，该团队还进行了大规模蒙特卡洛模拟，以可视化双层NiPS3的磁相(见图2)。

本工作首次细致地追踪了两种不同对称性随维数的变化，并发现了从初级序到残留序的交叉，并通过大规模蒙特卡罗模拟发现了这一交叉过程中的残留相变。

研究小组的观测不仅加深了我们对二维和三维物理学差异的理解，而且使我们距离回答费曼65年前提出的问题更近了一步。

展望未来，多层石墨烯和 NiPS 3等层状材料的研究为开发各种平面电子设备带来了巨大的希望。这些材料具有高性能、低功耗和柔韧性、透明度等理想特性的潜力，为创建超高密度、低功耗、灵活的二维逻辑和存储电路提供了一条有吸引力的途径。

随着这一进步，我们距离实现费曼关于分层材料和具有精确设计层的设备的愿景越来越近了。