科技日報北京3月3日電（記者張佳欣）當一種資料被不斷“削薄”到只有原子級厚度時，其性質會出現意想不到的變化。美國得克薩斯大學奧斯丁分校研究團隊發現，在一種超薄二維磁性材料中，隨著溫度降低會依次出現兩種罕見的磁性狀態。這一結果首次完整驗證了20世紀70年代提出的二維“六態時鐘模型”，為研究二維磁性與納米尺度磁結構提供了重要實驗依據。這一進展或給未來的超緊湊型科技帶來啟發。相關成果發表在最新一期《自然·材料》雜誌上。
二維磁性一直是凝聚態物理中的重要課題。理論上，某些二維體系在接近絕對零度時會經歷一系列特殊相變，但長期以來，實驗中通常只能分別觀察到其中某一個階段，很難看到完整的連續過程。
研究團隊將一種只有原子級厚度的三硫化磷鎳冷卻到約零下150℃至零下130℃之間。此時，他們觀察到，這種資料首先進入一種被稱為“貝列津斯基—科斯特利茨—索利斯”（BKT）相的特殊狀態。在這種狀態下，資料中每個原子的磁矩不再簡單地朝向某一固定方向，而是形成類似旋渦的結構。這些旋渦成對出現，一順時針、一逆時針，並彼此束縛在一起。
BKT相之所以特別引人關注，是因為這些旋渦被預測具有極高的穩定性，其橫向尺寸只有幾納米，而厚度僅為單個原子層。由於穩定且尺寸極小，這些旋渦為在納米尺度上調控磁性提供了新的途徑，也為理解二維體系中的普適拓撲物理提供了線索。
隨著溫度繼續降低，資料又進入第二種磁性狀態，即“六態時鐘有序相”。在這一狀態中，磁矩只能取六個彼此對稱的方向之一。這一過程正是二維六態時鐘模型所預測的完整相變序列。
該模型是凝聚態物理中的經典理論框架，用於描述二維系統中由拓撲缺陷主導的相變行為。過去數十年裏，科學家一直希望在真實資料中完整觀測到這一理論圖景，但始終缺乏直接證據。此次實驗首次在同一資料中同時看到BKT相以及隨後出現的低溫有序相，為相關理論提供了重要驗證。