作者肯·金格里，杜克大学 一种巨大而完美的硫化铁晶体，是为探索原子振动在磁跃迁中的变化的研究实验而精心培育的
学分:田纳西大学周海东 杜克大学的材料科学家展示了第一个清晰的例子，即材料转变成磁体可以控制其晶体结构的不稳定性，从而使其从导体变成绝缘体
如果研究人员能够学会控制六角硫化铁中物理性质之间的这种独特联系，这将使自旋电子计算等新技术成为可能
该结果发表在4月13日的《自然物理学》杂志上
六角硫化铁通常被称为三伊利石，在地球上可以找到，但在陨石中含量更高，特别是那些来自月球和火星的陨石
在地壳中很少遇到，地球上的大多数伊利石被认为起源于太空
尽管相对罕见，但自1862年以来，人们一直在不太高调地研究伊利石
然而，最近的一篇理论论文表明，在华氏289度到602度之间，可能有新的物理现象在起作用——在这个温度范围内，三伊利石变成了磁性物质和绝缘体
杜克大学机械工程和材料科学、物理和化学副教授奥利维尔·德莱尔说:“该论文的理论是，原子在其晶体结构中的移动方式通过一种前所未有的复杂效应影响着矿物的性质。”
“最重要的方面是磁性和原子动力学之间的相互作用，这是一个以前没有研究过很多的课题，但它为计算技术开辟了新的可能性
" 为了找到这种材料奇怪行为的核心，Delaire和他的同事们求助于田纳西大学实验凝聚态物理助理教授周海东，让他来完成生长完美的troilite晶体这一艰巨任务
研究人员随后将样品带到橡树岭国家实验室和阿尔贡国家实验室，分别用中子和x射线进行爆炸
当中子或x射线等粒子从材料内部的原子上反弹时，研究人员可以利用这些散射信息来重建其原子结构和动力学
因为中子有自己的内部磁矩，所以它们也能揭示每个原子的磁自旋方向
但是因为中子与原子的相互作用很弱，所以x射线对于分辨材料的原子结构和微小晶体中的原子振动也非常方便
研究人员使用在劳伦斯·伯克利国家实验室的超级计算机上创建的量子力学模型，比较了两次不同扫描的结果，以确保他们明白发生了什么
在观察了特罗伊利石相变过程中发生的变化后，研究人员发现了以前没有发现的机制在起作用
在高温下，三伊利石原子的磁性自旋指向随机的方向，使材料失去磁性
但是一旦温度下降到华氏602度以下，磁矩自然对齐，磁铁就诞生了
这些磁性自旋的排列改变了原子的振动动力学
这种移动导致整个晶体原子结构轻微变形，进而产生电子无法跨越的带隙
这导致钛酸锂失去导电能力
“这是第一个明确的例子，说明磁性自旋的排列可以控制材料晶体结构的不稳定性，”德莱尔说
“因为这些不稳定性导致了晶体的磁性和导电性之间的联系，这种材料在实现新型器件方面令人兴奋
" 德莱尔说，通过施加电流来调整材料磁性状态的能力，反之亦然，对于实现自旋电子学等技术至关重要
这个新兴领域简称自旋电子学，它试图利用电子的固有自旋和相关的磁矩来存储和处理数据
结合电子在计算中的传统作用，这将使计算机处理器变得更加密集和高效
通过这篇论文，德莱尔和他的同事已经确定了晶体结构扭曲机制的磁控制，给了研究人员一个用另一个操纵的手柄
虽然这种处理目前是基于温度变化，但研究人员的下一步是研究施加外部磁场，看看它们如何影响材料的原子动力学
德莱尔说，无论伊利石是否成为下一代计算技术的新硅，在如此著名的材料中发现这种独特的机制对整个领域都是一个很好的教训
“令人惊讶的是，即使你有一种相对简单的化合物，你也可以有这种奇特的机制，最终实现新技术，”德莱尔说
“从某种意义上说，这是一个警钟，我们需要重新考虑一些更简单的材料，在其他地方寻找类似的效果
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