科学家发现低维NiPS3中磁性态转换！

【研究背景】

自旋涨落和磁相的研究一直是固体物理学中的重要课题，特别是在低维材料中。NiPS3作为一种范德华磁体，在三维体材料中具有锯齿状反铁磁秩序。然而，随着材料厚度的减小，自旋涨落显著增强，导致出现了Z3遗迹性Potts-涌现态，这引起了科学界的广泛关注。这一现象展示了二维材料中增强的涨落如何引发非平凡的磁性相，挑战了传统的磁性理论。然而，低维中涨落驱动的磁性相仍然相对未被深入探讨，其具体机制和可能的应用尚待明确。

为了应对这些挑战，美国密歇根大学和德克萨斯理工大学研究人员通过自旋弛豫测量和光学光谱学方法，详细探讨了NiPS3在不同层数下的自旋涨落特性。实验结果表明，随着层数的减少，自旋涨落在吉赫兹到太赫兹范围内显著增强。蒙特卡罗模拟进一步证实了三重旋转对称性破缺的实验发现，但在薄层NiPS3中，平移对称性得以恢复。这些研究揭示了强量子涨落能够在摧毁传统磁性相后，稳定一种非常规磁性相，提供了新的理解和探索方向。这些发现不仅推动了对低维磁性相的研究，也为未来在低维系统中探索新型磁性现象提供了重要的实验基础和理论支持。

【表征亮点】

1. 实验首次观察到从三维体材料中锯齿状反铁磁秩序到二维少层NiPS3中的Z3遗迹性Potts-涌现态的相变。

2. 实验通过自旋弛豫测量和光学光谱学测量，揭示了NiPS3层数减少时，自旋涨落在吉赫兹到太赫兹范围内显著增强。

3. 蒙特卡罗模拟验证了三重旋转对称性破缺的实验结果，并显示在NiPS3薄层中平移对称性得以恢复。研究表明，强量子涨落能够在摧毁更常规的磁性相后，稳定一种非常规的磁性相。

【图文解读】

图1：  在NIP3中，残留有序和磁性状态的示意相图。

图2：通过氮空位nitrogen-vacancy，NV弛豫和拉曼光谱测量表明，少层NIP3中依赖于厚度的自旋涨落。

图3：拉曼光谱中，平移对称性破缺broken translational symmetry，BTS和旋转对称性破缺broken rotational symmetry，BRS特征的厚度依赖性。

图4: 四层4L NIP3的偏振相关线性二色性linear dichroism，LD和拉曼数据。

图5: 在两层2L NIP3中，磁性状态的蒙特卡罗计算。

【科学启迪】

本文的研究揭示了在低维材料中，涨落和无序的显著增强可以引发非平凡的物质相。具体而言，作者展示了在NiPS3这类范德华磁体中，从三维体材料的锯齿状反铁磁（AFM）秩序向二维少层样品中的Z3遗迹性Potts-涌现态的相变。这一发现的重要性在于：一方面，低维系统中的自旋涨落在吉赫兹到太赫兹范围内显著增强，提示作者未来可以利用这些增强的涨落探索新的自旋驱动的磁性相。另一方面，蒙特卡罗模拟表明，在薄层NiPS3中，尽管三重旋转对称性破缺，但平移对称性得以恢复，这表明强量子涨落能够摧毁常规磁性相后，稳定一种非常规磁性相。这不仅拓展了作者对低维系统中磁性行为的理解，还提供了一种通过调控量子涨落来设计和稳定新型磁性相的思路。这些发现为未来在二维材料中探索和开发新磁性相及其潜在应用提供了新的研究方向。。

参考文献：Sun, Z., Ye, G., Zhou, C. et al. Dimensionality crossover to a two-dimensional vestigial nematic state from a three-dimensional antiferromagnet in a honeycomb van der Waals magnet. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02618-6