就像大脚怪和尼斯湖怪兽一样，磁系统中的临界“自旋波”还没有被捕拍摄看捉到。与传说中的生物不同，这些高度相关的电子自旋模式的波动确实存在，但它们太随机和动荡，无法实时看到。康奈尔大学一个研究团队开发了一种新的成像技术，这种技术足够快速和灵敏，可以观察到二维磁铁中这些难以捉摸的临界波动。这种实时成像使研究人员可以通过一种“被动”机制来控制波动和切换磁性。
这最终可能促使更节能磁存储设备的诞生，其研究成果发表在《自然材料》期刊上。研究的联合资深作者是文理学院物理学副教授麦健辉（音译）和工程学院应用与工程物理学教授单杰（音译），这两位研究人员都是康奈尔大学卡夫利纳米科学研究所的成员，他们通过教务长的纳米科学和微系统工程(NEXT Nano)倡议来到康奈尔大学，其共享的实验室专门研究原子薄的量子材料。
当磁化波动发生在热力学临界点附近时，就被认为是“临界”的。热力学临界点是指一种物质转变成新的相态，从而产生各种不寻常现象的时刻。铁就是一个典型的例子，当加热到极端温度时，它就会失去磁性。在这个关键区域或临界点中，波动不再是随机行为，而是变得高度相关。卡夫利研究所博士后研究员、研究的主要作者金晨浩(音译)说：如果你想象所有空气分子都是相关的，它们就像风一样在非常大的长度范围内一起移动。
这就是当波动变得相关时会发生的事情，这可能会在一个系统和任何尺度上导致戏剧性的影响，因为这种相关性理论上可以达到无穷大，研究看到的波动是自旋或磁矩的波动。这些临界磁化强度波动很难看到，因为它们是不断变化的，并且发生在非常窄的温度范围内。物理学家研究磁性相变已经有几十年了，这种现象在二维系统中更容易观察到，还有什么比只有一层原子的磁铁更二维的呢？
从单个原子层观察信号仍然存在很多挑战，研究人员使用了单层铁磁绝缘体，溴化铬，作为一个二维系统，它具有更宽的临界区域和更强波动。为了实时看到这些波动，研究人员需要一种同样快速、具有高空间分辨率和宽视野成像能力的方法。该团队能够满足这些标准，方法是使用具有非常纯偏振态的光来探测单层，并记录下清晰的磁矩信号（这是磁铁的强度和方向）当它产生自发波动时。
实时捕捉这一现象的能力，意味着研究人员只需施加一个小电压，让波动在不同状态之间来回切换，就可以控制磁铁中的临界波动。一旦达到目标状态或值，就可以关断电压。不需要磁场来控制波动，因为它们本质上是自己驱动的。这与主动磁状态切换是一个根本不同的概念，因为它是完全被动的，这是一种基于从测量中获得的信息切换，而不是主动驱动系统。所以这是一个新的概念，可以会节省大量能源。
博科园｜研究/来自：康奈尔大学
参考期刊《自然材料》
DOI: 10.1038/s41563-020-0706-8
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