X光解密：層狀磁體中的量子奇異現象
瑞士保羅謝勒研究所（PSI）的最新研究，利用瑞士光源（SLS）的尖端X光光譜技術，揭開了鐵錫合金「籠目結構」鐵磁體層間令人意外的磁互動作用。這項發現顛覆了學界對常見金屬層狀合金的認知，更為開發新型磁電裝置與無稀土馬達開闢了嶄新可能性。
在量子材料領域，結構決定一切。如同石墨烯因碳原子排列成單層六角晶格而展現非凡電子特性，研究人員持續探索二維材料及其堆疊結構可能帶來的突破。其中，源自日本傳統編織工藝的「籠目晶格」結構，因其能承載超導性與非傳統磁性等奇特量子態而備受矚目。
過往研究多聚焦於材料的二維電子與磁性特徵，但最新針對鐵錫合金Fe3Sn2的研究徹底改變了這個觀點。這種具有複雜籠目結構的鐵磁材料，能產生多種迷人磁現象，關鍵在於「自旋波」——電子自旋的集體進動會形成如漣漪般的磁波穿行於材料中。
研究團隊特別關注Fe3Sn2中的自旋激發是否會形成理論預測的「平帶」特徵。當激發的動能趨近於零時，量子態會高度局域化，使粒子間產生強相互作用，進而誘發各種奇特量子效應。
「我們首次實驗證實材料中存在近乎平帶的特徵，」研究主要作者PSI科學家Yona Soh表示，「但這些能帶的形成機制完全出乎意料。」團隊發現，這些平帶不僅源自單層籠目結構內的互動作用，更關鍵的是相鄰層間的強耦合效應。
這項突破得益於創新的「共振非彈性X光散射」（RIXS）技術。傳統中子散射需大量樣品，而RIXS能對單晶體進行檢測。團隊更首創運用圓偏振光過濾技術，成功分離出低能自旋激發訊號，清晰呈現材料的磁拓撲結構。
隨著SLS 2.0升級計畫即將完成，新世代ADRESS 2.0光束線將把解析度提升五倍，讓科學家能探測更精細的磁現象。這項技術進展對開發永續材料至關重要——若能利用鐵、錫等常見金屬實現複雜磁電效應，將可取代稀土金屬在磁電裝置中的應用，為節能馬達與新型資訊儲存技術帶來革命性突破。
這項刊登於《自然-通訊》的研究不僅改寫了對Fe3Sn2的認知，更揭示層狀材料中三維互動作用的重要性，為量子材料研究開闢全新方向。
