近日，一个由香港大学（港大）、美国德州理工大学和密西根大学物理学家所组成的团队，在研究范德瓦尔斯（Van der Waals）磁性材料方面取得了重要发现。这类材料具有独特的电子和磁学特性，因此在多种应用中备受关注。

镍磷三硫化物（NiPS 3）是范德瓦尔斯材料的一种，这种材料因其在储能方面的潜在应用而受到关注。我们的团队首次从实验观察到此材料由三维长程有序状态转变为二维平面图案残留有序状态，展示材料变薄时如何改变其磁性能，揭示了该材料的应用潜力。这项研究意义重大，有助于我们理解如何在极小的尺度上控制材料的磁性能，有望推动科技发展，如开发更高效的电子设备、高密度的数据储存和更节能的创新计算设备等。他们的发现刚于学术期刊《自然物理学》中发表，并获专栏“新闻与观点”点题报导，突显了其对该领域的影响。

1965年诺贝尔物理学奖得主理查·费曼（Richard Phillips Feynman）曾在其著名演讲《底下还大有可为（ Plenty of Room at the Bottom）》中提出了这个引人入胜的问题：“假若有了恰当层数的分层结构材料，我们可以做些什么呢？”这番话在当时并未有引起很大的关注，直至九十年代时却被重新检视— 此问题背后原是涉及纳米技术的基础。

近年来，范德瓦尔斯材料（如NiPS 3）的出现，为探索费曼当年的问题提供了崭新的研究角度及契机。这类材料由易于堆叠或分离的层组成，使研究人员能够在不同厚度下研究其性质。为了回答费曼的问题，研究团队将注意力集中在NiPS 3上，并发现当这种材料在厚度减少到数层时，其磁性行为会随着变薄而产生独特变化，使其成为理想的研究材料。

在凝聚态物理学中，研究材料的关键方法是了解它们如何随着性质（如温度或厚度）的变化而转变成不同的相或状态。这些转变涉及材料内部的对称性的变化，此一概念被称为“对称性破缺”。在NiPS 3的研究中，研究人员发现了一种特殊的对称性破缺，导致出现了一种“残余有序状态”，这意味着在破缺过程中仍保留了部分对称性。正如“残余”一词指的是在生物进化过程中保留某些特征一样，这里的“残余”有序状态也可以被视为在对称性破缺过程中，部分的对称性得到保留的结果。当主要的磁性有序状态解体为更简单的对称性时，就会发生这种现象。以NiPS 3为例，这种状态是一种二维的残余有序状态，称为“Z3 Potts-向列相”，会随着材料变薄而出现。尽管理论上有许多残余相的例子，但经实验验证这种现象仍具挑战性。然而，是次对NiPS 3的研究显示，可以通过维度交叉来观察这种现象。

为了观察残余有序的形成，研究团队对NiPS 3进行深入研究，利用氮-空位（nitrogen-vacancy）自旋弛豫和光学拉曼散射技术，分析主要有序状态的熔化过程，以及随厚度变化而出现的残余有序相。此外，为了深入理解NiPS 3中维度交叉的实验结果，团队还进行了大规模的蒙特卡罗模拟，展示双层NiPS 3的不同相。这项研究首次详细追踪了随着维度变化的两种不同对称性，并揭示了从主要有序状态转变到残余有序的过程。同时，是次大规模的蒙特卡罗模拟也发现了在这个维度交叉过程中的残余相变。

这些观测不仅加深了我们对二维和三维物理学差异的理解，还使我们向答费曼在65年前所提出的问题迈进一步。展望未来，对分层材料（如多层石墨烯和NiPS 3）的研究将为开发各种平面电子器件带来巨大潜力。这些材料可能具备高性能、低功耗和灵活透明等理想特性，为创建超密集、低功耗、柔性的二维逻辑和存储电路提供了可能性。随着这些进展，我们正在逐步实现费曼所描绘的低维分层材料和器件的构想。