吴培亨院士领导的南京大学超导电子学研究所王永磊教授、王华兵教授课题组与洛斯阿拉莫斯实验室和阿贡实验室等国际团队合作，成功在实验上实现了笼目型人工自旋冰晶体。
人工自旋冰是通过现代微纳米加工技术制备出来的具有偶极相互作用的纳米小磁体阵列，可以进行人工设计和调控，其最初的引入是为了模拟水冰和自旋冰材料中复杂的几何阻挫效应（图1）。人工自旋冰多样的磁化状态可用于直接观察几何阻挫、磁单极子、库伦相、奇异相变等诸多有趣的物理现象，在低功耗数据存储、编码、先进计算等领域有着潜在的应用价值。笼目型人工自旋冰（图2a）是最早也是获得最广泛研究的两种人工自旋冰之一，以往的理论研究表明笼目型人工自旋冰具有非常丰富的温度相图，随着温度的降低依次会浮现四种物相：高温下的顺磁相、经典自旋液体相、磁荷长程有序的自旋液体相以及最低温下的自旋晶体相。但是由于笼目型人工自旋冰中存在很强的几何阻挫效应，长期以来其最低能量的自旋晶体一直在实验上难以获得，使得隐藏在基态中的低能激发态和奇异相变难以在实验上进行研究。因此，实现笼目型人工自旋冰晶体成为人工自旋冰研究领域上的一个非常重要的难点问题。
图1：人工自旋冰是具有偶极相互作用的纳米小磁体阵列，其最初的引入是模拟自旋冰材料和水冰中的几何阻挫效应。
研究团队通过创新设计，改变顶点结构中特定纳米小磁体的长度，直接有效的在实验上实现了笼目型人工自旋冰晶体。笼目型人工自旋冰中纳米小磁体位于笼目晶格的交点处，形成蜂窝状的六角结构阵列（图2a），其每个顶点结构包含三个纳米小磁体（图3插图）。传统的笼目型人工自旋冰顶点结构中三个纳米小磁体的大小和长度都是相等的，每个顶点结构具有六重简并度，从而使得整个小磁体阵列具有海量的简并度，因此笼目型人工自旋冰在实验上通常表现为经典的自旋液体行为（图2b和2d）。该研究团队通过改变顶点结构中特定纳米小磁体（α磁体）的长度（图2a和图1插图），在保持整个晶格结构不变的情况下实现了纳米小磁体之间偶极相互作用的调节，使得顶点结构的简并度可以从六重简并降低为二重简并（图3插图），从而成功在实验上实现了笼目型人工自旋冰的基态，即长程有序的自旋晶体（图2c和2e）。通过逐渐改变α纳米小磁体的长度Lα （图2a），可以连续调控顶点纳米小磁体间的相互作用强度（图3），可以等效为连续调节自旋冰系统的有效温度。据此，该团队通过制备具有多种不同长度α磁体的笼目型人工自旋冰样品，在实空间上获得了的笼目人工自旋冰相变的成像，清楚展示了笼目型人工自旋冰从自旋液体到自旋晶体的相变过程（图4）。
该研究方法较易拓展到几乎所有其他人工自旋冰结构中来实现局域相互作用和简并度的有效调控。该工作不但为研究人工自旋冰中新的物相、相变和丰富的低能元激发现象提供了简单有效的实验调控方法，也为设计基于人工自旋冰的新型磁振子器件以及基于可编程磁势场的异质结构器件提供了新的器件设计和实验技术（如该团队以往设计的人工自旋冰与超导异质结构器件“Nature Nanotechnology 13, 560 (2018) 详见南大新闻报道”和“Nano Letters 20, 8933 (2020) 详见南大新闻报道”）。同时，由于笼目型人工自旋冰模型与其他非磁性系统（如金属有机框架体系、机械超材料等）密切关联，该研究方法也可以应用于多种非磁系统中来设计新奇物相、相变和器件。
图2：笼目型人工自旋冰晶体的设计。a，在传统笼目型人工自旋冰中调节特定纳米小磁体α的长度，实现纳米小磁体局域相互作用的可控调节，进而实现人工自旋冰有效温度的调控；b，传统笼目型人工自旋冰的磁力显微镜成像；c，笼目自旋冰晶体的磁力显微镜成像；d，传统笼目人工自旋冰磁结构因子谱图；e，笼目人工自旋冰晶体的磁结构因子谱图。
图3：调节α小磁体的长度可以实现局域相互作用能量和简并度的调节，从而可以实现人工自旋冰系统有效温度的调控。
图4：笼目型人工自旋冰从自旋液体到自旋晶体的相变过程。
研究成果内容详见Phys. Rev. Lett. 129, 057202 (2022)。南京大学为该论文第一单位，电子学院博士生岳文诚和袁子雄为共同第一作，董思宁研究员、王华兵教授、王永磊教授以及阿贡实验室肖志力教授为该文章共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省科技厅、南京紫金山实验室等的支持。
成果论文：
Crystallizing Kagome Artificial Spin Ice
Wen-Cheng Yue#, Zixiong Yuan#, Yang-Yang Lyu, Sining Dong*, Jian Zhou, Zhi-Li Xiao*, Liang He, Xuecou Tu, Ying Dong, Huabing Wang*, Weiwei Xu, Lin Kang, Peiheng Wu, Cristiano Nisoli, Wai-Kwong Kwok, and Yong-Lei Wang*
Phys. Rev. Lett. 129, 057202 (2022)
该研究组欢迎对物理和电子学研究充满热情的有志青年申报硕士/博士研究生、博士后及专职科研岗职位！特别欢迎有应用物理或凝聚态物理学习背景的学生加入！
联系人：王永磊yongleiwang(at)nju.edu.cn或王华兵hbwang(at)nju.edu.cn |
