解開數十年之謎：首度在準晶體中發現反鐵磁性

科學家們在一種真正的二十面體準晶體中觀測到反鐵磁性現象，這項突破性發現重新點燃了學界對反鐵磁準晶體的探索熱情。

準晶體是一類具有特殊原子結構的固態材料。與傳統晶體不同，準晶體的原子排列雖具有長程有序性，卻不具週期性，這種特性被稱為準週期性。這種獨特結構產生了傳統晶體學中不可能存在的對稱性。自諾貝爾獎級發現以來，準晶體在凝聚態物理領域備受關注，不僅因其非傳統的磁性行為，更因其在自旋電子學和磁製冷等領域的潛在應用價值。

近期，科學家在由金、鎵和稀土元素組成的二十面體準晶體家族中發現了鐵磁性。雖然這項發現意義重大，但並不完全出人意料，因為鐵磁有序性的形成並不需要平移週期性。相比之下，反鐵磁性作為另一種主要的磁有序形式，對底層晶體對稱性更為敏感，這使得它在準週期系統中的實現更加困難。

儘管理論模型長期以來都預測某些準晶體中可能出現反鐵磁性，但一直缺乏直接的實驗證據。迄今為止研究的大多數磁性二十面體準晶體都表現出類似自旋玻璃的行為，其特徵是無序、凍結的磁態且不具長程有序性。這引發了學界持續的爭論：準週期性是否從根本上就與反鐵磁有序性不相容？直到現在，這個問題終於有了答案。

由東京科學大學材料科學與技術系的田村隆二教授領導的研究團隊，與東北大學的佐藤拓樹、澳洲核子科技組織和雪梨大學的馬克斯·阿夫迪夫等學者合作，在一項突破性研究中首次在真實準晶體中發現了反鐵磁性。這項研究成果已於2025年4月11日發表在頂尖期刊《自然物理學》上。

研究團隊在先前發現金-鎵-稀土元素二十面體準晶體具有鐵磁性的基礎上，進一步鑑定出一種新型的蔡氏型金-銦-銪二十面體準晶體。該材料展現出5重、3重和2重旋轉對稱性。透過一系列整體性質測量與中子實驗，團隊確認了其磁性特徵。

磁化率測量顯示，無論是在零場冷卻還是場冷卻條件下，在6.5開爾文溫度時都會出現明顯的尖峰，這與反鐵磁轉變的特徵相符。比熱測量也在相同溫度觀察到峰值，證實這個尖峰確實源自長程磁有序。

為進一步驗證，研究團隊在10開爾文和3開爾文溫度下對該準晶體進行中子繞射測量。他們在3開爾文時觀察到額外的磁性布拉格峰——這些繞射圖譜中的尖銳強度峰表明存在有序磁結構。溫度依賴性測量顯示，這些峰在6.5開爾文轉變溫度附近突然增強，為真實準晶體中存在長程反鐵磁有序提供了首個明確證據。

研究人員發現，與先前研究的多數具有負居里-外斯溫度的準晶體不同，這種新型準晶體具有正居里-外斯溫度。更有趣的是，他們發現只要透過元素替換稍微增加每個原子的電子數，反鐵磁相就會消失，準晶體會表現出類似以往準晶體的自旋玻璃行為。這表明具有正居里-外斯溫度的準晶體有利於建立反鐵磁有序，為未來研究開闢了新方向——透過控制每個原子的電子數來開發新型反鐵磁準晶體。

這項發現不僅解決了長年懸而未決的科學難題，證實反鐵磁有序確實可以在真實準晶體中存在，更可能帶來超軟磁響應等前所未有的功能特性，未來將為自旋電子學和磁製冷技術帶來革命性突破。

這項研究成果符合聯合國可持續發展目標，特別是在「經濟適用的清潔能源」（SDG7）和「產業、創新與基礎設施」（SDG9）方面，有助於開發節能電子產品。解開這個長達數十年的科學之謎，不僅重振了學界對未知反鐵磁準晶體的探索熱情，更開創了準週期反鐵磁體這一全新研究領域，其影響力遠超自旋電子學的範疇。

參考文獻：田村隆二等學者於2025年4月14日發表在《自然物理學》的「準晶體中反鐵磁有序的觀察」DOI: 10.1038/s41567-025-02858-0

資金來源：日本學術振興會、日本科學技術振興機構、澳洲核子科技組織、日本原子力研究開發機構、固體物理研究所