原子尺度振動揭開神秘相變之謎
科學家們發現了一種新方法，能夠深入探索二維奈米材料的複雜相變過程。透過使用奈米級振動薄膜，他們觀察到材料在極端溫度下機械與磁性特性的變化。相變，如水結冰或沸騰成蒸氣，會導致材料在特定溫度下發生劇烈變化。雖然這些相變在日常材料中已被充分理解，但在奈米尺度下的行為仍是一個謎。由臺夫特理工大學主導的研究團隊，如今揭示了奈米材料中磁性與機械特性之間的緊密關聯，為這些複雜的相變提供了新的見解，並為先進感測技術開闢了新的可能性。
臺夫特理工大學的科學家們，與瓦倫西亞大學及新加坡國立大學的同事合作，開發了一種突破性的方法來研究二維奈米材料的複雜相變。他們的研究重點是FePS3，這是一種僅有幾個原子厚度的超薄材料。透過懸浮FePS3的微小薄膜並在高振幅下振動，同時調整溫度，他們發現材料在接近相變溫度時振動的變化，這為其磁性特性提供了新的洞察。
臺夫特理工大學機械工程學院的副教授Farbod Alijani解釋道：「想像一個具有磁性結構的鼓，雷射光就像鼓棒，持續使其振動，而它的節奏會隨著溫度的變化而微妙地改變。當溫度較高時，這個磁性鼓是鬆散的，其磁性自旋（即粒子自然轉動使其像小磁鐵一樣的特性）處於無序狀態。但一旦冷卻，鼓會變得緊繃，自旋會整齊排列。現在，想像你在敲鼓時，慢慢將溫度從高溫降到低溫。你會注意到，不僅鼓開始感覺不同，而且這種變化並非平滑（線性）的，而是以複雜且不規則（非線性）的方式展開，影響其機械特性。」
研究團隊在相變過程中測量了這種非線性變化。透過使用奈米級鼓，他們能夠檢測到這種突然轉變發生的溫度，並詳細研究鼓的機械行為如何變化。Makars Šiškins表示：「我們精確地定位了相變溫度約在-160°C。此外，我們發現由溫度變化驅動的機械反應變化，直接與材料的磁性和彈性特性相關。」
這些薄膜對內部和外部力量都極為敏感。Šiškins補充道：「這種敏感性使它們成為理想候選者，能夠檢測非常微小的環境變化或材料本身的內部應力。」
研究團隊計劃將這種方法應用於揭示其他奈米材料的相變秘密。共同作者Herre van der Zant表示：「在我們的實驗室中，我們將研究是否能夠用奈米鼓檢測所謂的自旋波。你可以將自旋波視為磁性材料中的資訊載體，就像電子是導電材料中的載體一樣。」Alijani則將專注於將這些發現轉化為實際應用，例如提升感測器的效能。他指出：「理解這些非線性過程為創新的奈米機械裝置奠定了基礎，包括超靈敏感測器。」
參考文獻：Makars Šiškins等人於2025年3月12日發表在《Nature Communications》上的論文《Nonlinear dynamics and magneto-elasticity of nanodrums near the phase transition》，DOI: 10.1038/s41467-025-57317-4。
