一项新研究揭示了量子材料中错综复杂的受挫形式如何催生出非传统磁态。

由加州大学圣塔芭芭拉分校材料学教授斯蒂芬·威尔逊牵头的研究，旨在揭示非常规物质状态背后的基本物理原理，同时研制出能够支持未来量子应用重要特性的材料。

在发表于《自然·材料》期刊的一项研究中，威尔逊及其同事阐述了一种新方法，可借助材料内部长程有序性受挫这一现象实现特定目的。研究团队通过利用这一效应，展示了如何按需构建非传统磁态，该成果或对量子技术发展产生深远影响。

与此同时，威尔逊强调：“这是旨在解决基础问题的基础科学，意在探究未来设备可能实现的物理学原理。”

该研究探讨了固态物质中多种受挫形式是如何产生的。以几何受挫为例，当物质内部的磁矩无法自行排列成单一稳定模式时，就会出现这种情况。此时，磁矩不会形成有序结构，而是处于持续竞争和波动的状态。

威尔逊表示：“你可以将磁性想象成源自晶体晶格中原子位置上存在的小型条形磁铁。”“这些条形磁铁就是我们所说的磁偶极矩，根据材料的具体特性，它们能够以特定方式相互作用并相互排列，以最小化它们的能量，或者说，实现它们的基态。”

基态代表系统可能存在的最低能量构型。在绝对零度下，任何物理系统均处于该状态。

几何结构与竞争相互作用

威尔逊补充道：“倘若这些磁矩以相互指向反平行的方式相互作用，我们便称之为反铁磁性。”“若它们以这种反铁磁性的方式相互作用，且它们所处的原子构成了一个方形网络，那么每个磁矩都能与其相邻磁矩呈反平行状态。此时，磁矩处于‘稳定’状态，这便是基态。”

当同样的相互作用以不同的排列方式发生时，情况就会发生变化。威尔逊说：“然而，在一个不同的网络中，比如三角形网络，并非每个磁矩都能与其相邻磁矩方向相反。”“它们相互竞争，或者说处于‘受挫’状态，因为它们不知道该指向哪个方向才能实现系统的基态。磁矩寻求平衡，但由于其所处空间的几何结构，无法达成平衡。”

电子的其他特性（包括电荷）同样可能引发类似的受挫情形。当两个相邻离子试图通过化学键共享一个电子时，它们会形成原子二聚体。与磁相互作用的情况类似，某些晶格结构（如三角晶格或蜂窝状网络）会阻碍二聚体的形成。

当这种情况发生时，其结果可能是一个受阻的键合网络，该网络对外力作用极为敏感。施加外力有助于缓解这种受阻状态，使键合得以重新排列。威尔逊的研究聚焦于一类极为罕见的材料，在这类材料中，磁阻挫与键阻挫在同一体系内并存。

威尔逊将这一发现形容为“振奋人心”，因为这表明，可通过改变其中一个受阻系统来影响另一个。过去六七年间，科学家们已证明，可利用由周期表底部附近的镧系元素以三角形排列构成的材料，刻意制造出受阻磁态。

量子态的功能性控制

威尔逊表示：“原则上，这种由精心挑选的稀土元素磁矩所构成的三角晶格网络，能够引发一种特殊的内在量子无序态。”“在该项目中，我们尝试做的一件事就是，通过将这种奇异态嵌入到具有额外键受挫程度的晶格中，使其发挥功能。”

威尔逊指出，尽管量子无序磁性存在多种不同的“表现形式”，但“原则上，某些状态能够承载自旋的长程纠缠，这在量子信息领域具有重要意义。若能通过在受阻键网络中施加应变来控制这些状态，那将令人兴奋不已。”

若存在两个极易受干扰（如应变干扰，或在磁场作用下的磁干扰）且高度不稳定的层，那么问题在于能否将二者耦合在一起。因为当其中一个层出现偏置并决定有序排列时，它就有可能与第二个层产生耦合，进而改变其状态。

威尔逊解释道：“这是一种为事物赋予某种功能或使其对原本不会产生反应的其他事物产生反应的方法。”“因此，原则上，人们可以设计出大型铁性反应。你可以施加一点应变，从而引发磁有序；或者施加一点磁场，进而引发结构变化。

“再者，从原则上讲，若能发现一种具有长程纠缠的量子无序基态，那么问题就转化为能否通过与其他层（如键受挫层）耦合等方式来获取这种纠缠。”

威尔逊还希望探究，通过这一过程，是否有可能实现不同类型的交织秩序。他表示：“从本质上讲，由于这两个受挫晶格彼此邻近，可能会催生出不同类型的秩序，这便是整体构想。”

参考文献：S. J. 戈麦斯·阿尔瓦拉多（S. J. Gomez Alvarado）、J. R. 查莫罗（J. R. Chamorro）、D. 劳特（D. Rout）、J. 希尔舍（J. Hielscher）、莎拉·施瓦茨（Sarah Schwarz）、凯莉·本亚科（Caeli Benyacko）、M. B. 斯通（M. B. Stone）、V. 奥维迪乌·加尔莱亚（V. Ovidiu Garlea）、A. R. 杰克逊（A. R. Jackson）、G. 波卡雷尔（G. Pokharel）、R. 戈麦斯（R. Gomez）、B. R. 奥尔蒂斯（B. R. Ortiz）、苏希斯米塔·萨克尔（Suchismita Sarker）、L. 考茨施（L. Kautzsch）、L. C. 加林顿（L. C. Gallington）、R. 塞沙德里（R. Seshadri）和斯蒂芬·D. 威尔逊（Stephen D. Wilson）所著《三角晶格反铁磁体中的交错键受挫现象》，发表于2025年10月22日《自然·材料》期刊。DOI：10.1038/s41563-025-02380-x