普通的金属回形针会粘在磁铁上。科学家将这种含铁材料归类为铁磁体。一个多世纪前，物理学家阿尔伯特-爱因斯坦和旺德-德-哈斯报告了铁磁体的一个惊人效果。他们发现，将铁筒悬挂在导线上并置于磁场中，如果磁场方向相反，铁筒就会开始旋转。

自旋乱序移动的原子地毯。层状三硫化铁磷中原子层的剪切是由暴露在光脉冲下的电子自旋扰乱引起的。左侧为有序自旋；右侧为混乱自旋。图片来源：阿贡国家实验室提供

"爱因斯坦和德哈斯的实验几乎就像一场魔术表演，"美国能源部（DOE）阿贡国家实验室材料科学部和 X 射线科学部物理学家Haidan Wen说。

"你可以在不接触圆柱体的情况下使其旋转。在这项实验中，利用电子自旋这一微观特性，在圆柱体这一宏观物体中引发了机械反应"，加州大学伯克利分校米勒研究员 Alfred Zong表示。

在科学杂志《自然》（Nature）上，来自阿贡和其他美国国家实验室及大学的研究团队报告了"反"铁磁体的类似但不同的效应。这可能会在需要超精确和超快速运动控制的设备中得到重要应用。其中一个例子是生物医学应用中的高速纳米电机，例如用于微创诊断和手术的纳米机器人。

电子自旋及其作用

铁磁体和反铁磁体之间的区别与一种称为电子自旋的特性有关。这种自旋有一个方向。科学家们用箭头表示方向，箭头可以向上或向下，也可以指向两者之间的任何方向。在上文提到的磁化铁磁体中，与铁原子中所有电子相关的箭头可以指向同一个方向，比如向上。反转磁场会逆转电子自旋的方向。因此，所有箭头都指向下方。这种反转导致了圆柱体的旋转。

加利福尼亚大学伯克利分校的米勒研究员阿尔Alfred Zong说："在这个实验中，利用电子自旋这一微观特性，在圆柱体这一宏观物体中引发了机械反应。"

反铁磁体实验

举例来说，在反铁磁体中，电子自旋并不是全部指向上方，而是在相邻电子之间由上至下交替出现。这些相反的自旋相互抵消，因此反铁磁体不会像铁磁体那样对磁场变化做出反应。

问题是，电子自旋能否在反铁磁体中引起与爱因斯坦-德-哈斯实验中圆柱体旋转不同但原理相似的反应？

为了回答这个问题，研究小组制备了一种反铁磁体--三硫化铁磷（FePS3）样品。样品由多层 FePS3 组成，每层只有几个原子厚。

华盛顿大学物理与材料科学教授徐晓东说："与传统磁体不同，FePS3 的特殊之处在于它是在层状结构中形成的，层与层之间的相互作用极其微弱。"

实验结果

Wen 补充说："我们设计了一组确证实验，向这种层状材料发射超快激光脉冲，并用光学、X 射线和电子脉冲测量材料特性的变化。"

研究小组发现，脉冲通过扰乱电子自旋的有序取向，改变了材料的磁性。电子自旋的箭头不再有序地上下交替，而是无序的。

"电子自旋的这种混乱导致了整个样品的机械响应。"麻省理工学院（MIT）物理学教授努赫-格迪克（Nuh Gedik）解释说："由于层与层之间的相互作用很微弱，样品的一层能够相对于相邻层来回滑动。"

这种运动是超快的，每次振荡的时间可以达到令人难以置信的 10 到 100 皮秒。一皮秒仅相当于一万亿分之一秒。如此之快，以至于在一皮秒内，光的传播速度仅为三分之一毫米。

对样品进行原子级空间分辨率和皮秒级时间分辨率的测量需要世界一流的科学设施。为此，研究小组依靠尖端的超快探针，利用电子束和 X 射线束分析原子结构。

受华盛顿大学光学测量的启发，最初的研究采用了 SLAC 国家加速器实验室的兆电子伏特超快电子衍射设施。进一步的研究是在麻省理工学院的超快电子衍射装置上进行的。纳米材料中心（CNM）的超快电子显微镜设备以及先进光子源（APS）的 11-BM 和 7-ID 光束线对这些研究结果进行了补充。CNM 和 APS 都是阿贡国家实验室的能源部科学办公室用户设施。

发现的意义

层状反铁磁体中的电子自旋在比皮秒更长的时间内也会产生影响。在早些时候利用阿贡国家实验室和中国核物理中心设施进行的一项研究中，研究小组成员观察到，在电子自旋从无序行为向有序行为过渡附近，层的波动运动急剧减慢。

Zong说："我们目前研究的关键发现是找到了电子自旋与原子运动之间的联系，这种联系对于这种反铁磁体的层状结构来说是特殊的。由于这种联系表现在如此短的时间和微小的长度尺度上，我们设想通过改变磁场或施加微小应变来控制这种运动的能力将对纳米级设备产生重要影响。"