2026年2月23日——BKT相和六态时钟相的观测揭示了磁性在二维空间的行为机制，或将为超紧凑技术带来启发。

当材料被逐层剥离至仅单个原子厚度时，其性质会发生奇异变化。德克萨斯大学奥斯汀分校物理学家领导的团队在《自然·材料》期刊发表论文，首次通过实验在超薄材料中展示了一系列奇特的磁性相态，完整实现了上世纪70年代提出的二维磁性理论模型。该研究团队表示，这一进展可能催生新型超紧凑技术。

这种奇特的磁性相态序列包含两个关键转变，它们在某些材料冷却至接近绝对零度时出现。此前这两个转变曾被单独观测到，但从未以完整序列形式同时出现。

当研究人员将原子级厚度的三硫化镍磷（NiPS₃）冷却至-150至-130℃时，材料进入了首个特殊磁相——Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相。在此状态下，材料中单个原子的磁取向（即磁矩）会形成称为涡旋的螺旋图案。这些涡旋成对出现且旋转方向相反（一个顺时针，一个逆时针），并保持紧密束缚状态。

BKT相以Vadim Berezinskii和2016年诺贝尔物理学奖得主J. Michael Kosterlitz、David Thouless命名，他们因对该类相变的理论描述而获奖。

“BKT相尤其引人入胜，因为这些涡旋预计具有异常稳定性，横向尺寸仅局限在几纳米范围，厚度仅相当于单个原子层，”该研究负责人、德克萨斯大学助理教授Edoardo Baldini表示，“由于其稳定性和极微小尺寸，这些涡旋为纳米级磁控提供了新途径，并为理解二维系统中的普适拓扑物理提供了窗口。”

进一步冷却后，材料转入第二个独特磁相——六态时钟有序相，此时磁矩会采取六种对称相关取向之一。BKT相与低温有序态的共同观测，标志着二维六态时钟模型首次在实验中得以实现。该理论框架于1970年代提出，具有范式意义。

“当前工作完整展示了二维六态时钟模型预期的相变序列，并确立了纯二维磁体中纳米级磁涡旋自然产生的条件，”Baldini解释道。

未来关于BKT相的研究将致力于寻找合适的材料特性组合，以期在更高温度（甚至室温）下稳定类似磁相。此次初步观测为这些努力奠定了重要基础。

除NiPS₃外，研究结果表明一大类二维磁性材料可能具有尚未探索的新相态，这为基础物理和纳米器件概念开辟了新方向。

该研究主要由美国国家科学基金会（NSF）通过德克萨斯大学材料动力学与控制中心（NSF材料研究科学与工程中心）资助。Baldini课题组还获得了Love, Tito's、罗伯特·A·韦尔奇基金会、W.M.凯克基金会、NSF CAREER奖、美国空军科研办公室青年研究者计划奖及美国陆军研究办公室的支持。

论文三位资深作者——Baldini、Allan MacDonald和Xiaoqin “Elaine” Li均为德克萨斯大学物理学家及德州量子研究所成员（Li担任联合主任）。共同第一作者是德克萨斯大学物理学博士后Frank Y. Gao（即将任威斯康星大学麦迪逊分校化学助理教授）及前德克萨斯大学物理研究生Dong Seob Kim（现哥伦比亚大学博士后）。麻省理工学院、中央研究院和犹他大学的研究人员也参与了此项工作。