科学家利用光来可视化量子材料中的磁畴

当某种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，他们会从量子角度进行观察。大阪都立大学和东京大学的科学家成功地利用光可视化了一种特殊量子材料中的微小磁区，即磁畴。他们的研究发表在《物理评论快报》上。

此外，他们还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层面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能吸附在金属表面的磁铁。但那些不能吸附的磁铁呢?其中就包括反铁磁体，它已成为全球技术开发人员关注的重点。

反铁磁体是一种磁性材料，其中的磁力或自旋指向相反的方向，相互抵消，不产生净磁场。因此，这些材料既没有明显的南北极，行为也不像传统的铁磁体。

反铁磁体，特别是具有准一维量子特性的反铁磁体(即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设备的潜在候选者。

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

大阪都立大学副教授、这项研究的主要作者木村健太说：“由于准一维量子反铁磁材料的磁转变温度低、磁矩小，观察其中的磁畴一直很困难。”

磁畴是磁性材料中原子自旋沿同一方向排列的小区域。这些磁畴之间的边界称为畴壁。

由于传统观察方法效果不佳，研究团队针对准一维量子反铁磁体BaCu2Si2O7进行了创新性研究，利用非互易定向二向色性——一种材料对光的吸收会随着光的方向或磁矩的反转而发生变化的现象。

这使得他们能够看到BaCu2Si2O7内的磁畴，揭示出相反的畴在单晶内共存，并且它们的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，”Kimura说道。“我很高兴我们能够使用简单的光学显微镜来观察这些量子反铁磁体的磁域。”

研究团队还证明，这些畴壁可以利用电场移动，这要归功于磁电耦合现象，即磁性和电性相互关联。即使在移动时，畴壁仍保持其原始方向。

Kimura表示：“这种光学显微镜方法简单、快速，未来可能实现对移动畴壁的实时可视化。”

这项研究标志着对量子材料的理解和操控迈出了重要一步，为技术应用开辟了新的可能性，并探索了可能导致未来量子器件和材料发展的物理学新前沿。

Kimura表示：“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，有助于设计使用反铁磁材料的下一代电子产品。”