新研究表明扭转反铁磁层状材料中的自旋序可形成数百纳米的超大拓扑结构
2026年2月11日——在快速发展的二维材料领域,微小的扭转可能引发巨大效应。自从发现原子级薄晶体间的旋转错位能重塑其电子行为后,莫尔条纹工程已成为量子物质设计的重要原理。
《自然·纳米技术》最新研究显示,磁性同样能突破传统认知:在扭转的反铁磁层中,自旋序不仅限于莫尔晶胞,还能扩展成跨越数百纳米的超大拓扑结构。大多数莫尔现象直接从晶格干涉图案继承其特征长度尺度,因此学界曾假定堆叠范德瓦尔斯磁体的磁序遵循相同规律。这项新研究颠覆了该假设。
通过扫描氮空位磁强计研究扭转双层三碘化铬(CrI₃)时,研究人员以纳米级分辨率直接成像磁场,观察到远超单个莫尔晶胞(达约300纳米)的长程结构,其尺度是底层波长的十倍。这一现象有违直觉:当扭转角减小时,莫尔波长增大,但观测到的磁结构尺寸却反向变化,在1.1°附近达到峰值后于约2°时消失。
这种逆转表明磁性并非简单遵循莫尔图案模板,而是源于交换作用、磁各向异性和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用之间的集体竞争——这些因素均被层间相对旋转微妙调控。大规模自旋动力学模拟证实该机制,揭示了跨越多个莫尔晶胞的扩展型Néel反铁磁斯格明子的稳定性。
该发现对基础磁学具有深远意义。斯格明子结构因具备紧凑性、拓扑保护性和低能耗可移动性,在信息技术领域极具吸引力。仅通过扭转(无需光刻、重金属或强电流)即可生成这种结构,为低功耗自旋电子器件提供了基于几何的洁净制备路径。
这项研究通过提出“超莫尔自旋序”概念,将扭转工程重构为多尺度工具:原子排列引发介观拓扑。这挑战了“莫尔物理仅具局域性”的主流观点,确立扭转角作为调控交换作用、各向异性和手性相互作用以稳定拓扑相的热力学控制参数。
从应用角度看,这种大尺寸、高稳定性的Néel型斯格明子结构适合器件集成:其介观尺度提升可检测性与可寻址性,拓扑保护特性与绝缘主体材料则有望实现超低耗散运行。随着研究人员持续探索几何结构与量子相互作用的丰富关联,这类涌现行为或将成为后CMOS时代高效能计算平台研发的核心。
爱丁堡大学理论/计算凝聚态物理高级讲师埃尔顿·桑托斯博士(该项目建模负责人)表示:“该发现证明扭转不仅是电子调控旋钮,更是磁性调控开关。我们观察到自旋序在远超莫尔晶格的尺度上自组织,这为仅通过控制角度设计拓扑磁态开辟了新途径——这种看似简单的调控手段将产生深远的实际影响。”


