研究背景

随着低维材料研究的发展，二维材料中的自旋涨落和无序效应因其在产生非平凡物质相（如由复合秩序参数表征的遗迹性有序）中的关键作用，引起了科学家的广泛关注。具体来说，低维系统中的涨落显著增强，使得这些系统能够实现传统三维系统中难以观察到的奇特磁性状态。自旋涨落和磁性相的关系，尤其是在二维材料中的表现，成为了研究的热点问题。

在这些研究中，二维材料NiPS₃成为了研究对象，因为其独特的范德华结构和易于调控的层数使得它在探索低维磁性相中具有重要意义。NiPS₃在厚度变化时，表现出从三维体材料中的锯齿状反铁磁（AFM）秩序向二维少层样品中的Z₃遗迹性Potts-涌现态的相变。这一现象突显了二维材料中自旋涨落对磁性相的影响，同时也展示了低维系统中自旋涨落驱动的磁性相的可能性。

针对这一问题，美国密歇根大学Liuyan Zhao教授和德克萨斯理工大学的Rui He 研究人员合作在“Nature Physics”期刊上发表了题为“Dimensionality crossover to a two-dimensional vestigial nematic state from a three-dimensional antiferromagnet in a honeycomb van der Waals magnet”的最新论文。作者的研究通过自旋弛豫测量和光学光谱学测量，揭示了在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。蒙特卡罗模拟结果验证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。这表明强量子涨落能够在摧毁常规的磁性相后，稳定一种非常规的磁性相。

这些发现为二维材料中的磁性相研究提供了新的视角。作者提出了几个未来的研究方向：首先，利用二维材料中增强的自旋涨落可能会发现更多自旋涨落驱动的磁性相，包括Z₃自旋诱导的Potts-涌现性。其次，需要高空间分辨率的实验技术来解决二维NiPS₃中的自旋相干长度问题。最后，将两个NiPS₃薄片旋转形成的莫尔超晶格中的磁性状态以及二维NiPS₃中强涨落与强相关电荷自由度的相互作用，将成为进一步研究的有趣课题。这些探索将推动对低维磁性相的深入理解，并可能揭示新型的量子材料特性。

研究亮点

1. 实验首次展示了从三维体材料中的锯齿状反铁磁秩序向二维少层样品中的Z₃遗迹性Potts-涌现态的相变。通过研究范德华磁体NiPS₃的不同层数，作者观察到在层数减少时，材料的磁性相发生了显著变化。

2. 实验通过自旋弛豫测量和光学光谱学测量，揭示了NiPS₃中自旋涨落在吉赫兹到太赫兹范围内的显著增强。蒙特卡罗模拟进一步验证了三重旋转对称性破缺的实验结果，但显示在NiPS₃的薄层中，平移对称性得以恢复。这些结果表明，在二维材料中，强量子涨落能够稳定一种非常规的磁性相，而摧毁了更常规的磁性相。

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。

总结展望

本文揭示了低维系统中涨落和无序的效应如何促进非平凡物质相的出现，尤其是通过研究NiPS₃从三维体材料的锯齿状反铁磁秩序到二维少层样品中的Z₃遗迹性Potts-涌现态的相变。作者的研究表明，二维材料中的自旋涨落显著增强，从吉赫兹到太赫兹范围内的涨落在层数减少时更加显著，这为探索涨落驱动的磁性相提供了新途径。此外，蒙特卡罗模拟验证了实验中观察到的三重旋转对称性破缺，但在薄层中恢复了平移对称性。这一发现表明，强量子涨落能够摧毁传统磁性相，并稳定非常规磁性相。本文的科学启示在于，利用低维系统中的增强涨落，可能发现更多未知的自旋驱动磁性相，挑战了现有的磁性研究主流，并为设计新型量子材料和器件提供了新的思路。

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