【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，我校物理學(xué)院孫建教授和王銳教授等人合作在低維量子材料研究領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。他們提出了一種構(gòu)筑可調(diào)控阻挫磁體的新策略，發(fā)現(xiàn)將鐵元素和硫元素封裝在碳納米管中，不僅可以使傳統(tǒng)塊體材料中難以存在的FeS納米管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定下來，還能在同一體系內(nèi)實現(xiàn)鐵電、阻錯磁結(jié)構(gòu)、手性以及分?jǐn)?shù)磁化平臺等多種物性調(diào)控。這一發(fā)現(xiàn)不僅為探索低維量子相變、量子磁性和多鐵耦合等提供了全新材料平臺，也為未來納米電子器件和量子器件領(lǐng)域開辟了潛在研究方向。
 

　　長期以來，低維體系因其突破傳統(tǒng)材料尺寸限制的能力而備受關(guān)注。特別是在納米電子學(xué)和信息技術(shù)中，材料不僅需要尺寸足夠小，還需要具備可調(diào)控的電、磁和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。多鐵性材料正是在這一背景下受到廣泛重視，因為它們可以同時表現(xiàn)出多種鐵性序，使電場、磁場和晶格結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生耦合。然而，與二維多鐵材料相比，一維多鐵體系的研究仍處于相對空白階段。如何在一維尺度上設(shè)計穩(wěn)定、可調(diào)、具有豐富量子相的材料，是該領(lǐng)域長期面臨的核心科學(xué)問題。
 

　　在一維磁性體系中，自旋阻挫是產(chǎn)生新奇量子現(xiàn)象的重要機制。當(dāng)不同磁相互作用彼此競爭、無法同時滿足時，體系便可能進(jìn)入傳統(tǒng)磁序之外的特殊狀態(tài)，例如非共線磁結(jié)構(gòu)、手性和分?jǐn)?shù)磁化平臺等。這些現(xiàn)象對理解量子體系中的強關(guān)聯(lián)現(xiàn)象具有基礎(chǔ)意義，也可能成為新型量子器件的功能來源。但現(xiàn)實困難在于，真正經(jīng)過實驗驗證的一維阻挫磁性化合物非常有限；已有材料往往結(jié)構(gòu)剛性強、可調(diào)性不足，難以實現(xiàn)不同磁態(tài)之間的連續(xù)調(diào)控和相變研究。
 

　　針對這一瓶頸，研究團(tuán)隊將目光轉(zhuǎn)向碳納米管。碳納米管具有天然的一維納米空腔，能夠封裝原子或分子，為內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供保護(hù)環(huán)境，并穩(wěn)定在常規(guī)塊體材料中難以形成的構(gòu)型?；趯O建課題組自主開發(fā)的機器學(xué)習(xí)與圖論輔助的晶體結(jié)構(gòu)搜索MAGUS方法【Natl. Sci. Rev. 10, nwad128 (2023); Nature Computational Science 5, 255 (2025)】，研究人員在碳納米管內(nèi)發(fā)現(xiàn)了兩種穩(wěn)定的 FeS 納米管結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)順電相和鐵電相。更重要的是，這兩種結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出截然不同的磁結(jié)構(gòu)：鐵電相穩(wěn)定于共線反鐵磁態(tài)，而順電相則由于面內(nèi)自旋阻挫形成 120° 非共線磁態(tài)(見圖1)。
 

　　研究進(jìn)一步表明，該體系的性質(zhì)并非固定不變，而是可以通過調(diào)節(jié)長度和鐵電性質(zhì)實現(xiàn)阻挫強度的連續(xù)控制。隨著阻挫相互作用變化，F(xiàn)eS 納米管可從反鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪簿€磁態(tài)，并進(jìn)一步進(jìn)入雙胞非共線磁態(tài)。王銳教授課題組通過大規(guī)模張量網(wǎng)絡(luò)計算還揭示，在外磁場作用下，該體系會表現(xiàn)出獨特的自旋手性響應(yīng)和分?jǐn)?shù)磁化平臺(見圖2)。這些特征正是低維阻挫磁體中備受關(guān)注的量子現(xiàn)象，說明碳納米管封裝體系不僅能夠穩(wěn)定新結(jié)構(gòu)，還能為研究量子磁性提供高度可調(diào)的實驗對象。
 

　　總的來說，這項研究提出了利用碳納米管構(gòu)筑一維阻挫磁體的新策略，并展示了 FeS 納米管在磁有序、鐵電性和量子相變調(diào)控方面的突出潛力。相比已知準(zhǔn)一維化合物，該體系展現(xiàn)出更強的結(jié)構(gòu)靈活性和物性可控性。未來，隨著納米封裝、低溫測量和電場調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，這類碳納米管內(nèi)嵌一維材料體系有望成為研究低維量子物態(tài)的重要平臺，并推動多鐵量子材料在高密度集成、柔性電子和量子功能器件中的應(yīng)用探索。
 

　　近年來，孫建教授課題組自主開發(fā)了機器學(xué)習(xí)與圖論輔助的晶體結(jié)構(gòu)搜索方法MAGUS，其接口與模塊不斷拓展，功能覆蓋二維、三維、分子晶體、團(tuán)簇、表面、界面、受限空間等體系。除第一性原理計算外，MAGUS還可以結(jié)合NEP、MTP、HotPP、 DeepMD、MACE、CHGnet和Mattersim等多種機器學(xué)習(xí)力場，搜索效率持續(xù)提升。目前國內(nèi)外注冊用戶超過1000人，用戶已使用MAGUS在Science、Nature Physics、PRL、JACS等高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表研究工作。
 

　　用MAGUS開展的二維和受限空間體系方面的研究工作還包括：碳納米管中的氮納米管【CPL (Express Letter) 39, 036101 (2022)】；兩層石墨烯中惰性元素和簡單金屬的二維熔化和維度跨越現(xiàn)象【PNAS 122, e2502980122 (2025)】；石墨烯夾層中的超離子態(tài)甲烷水合物【Sci. China-Phys. Mech. Astron. 69, 276811 (2026) (封面文章)】等，本研究也是受限空間結(jié)構(gòu)搜索方面的代表工作之一。
 

　　相關(guān)成果以“Controllable quantum phase transitions and frustrated spin responses in multiferroic FeS nanotubes”為題，發(fā)表于物理學(xué)頂級學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》上。南京大學(xué)物理學(xué)院特任副研究員丁馳、博士后楊濤為論文共同第一作者，孫建教授和王銳教授為共同通訊作者，邢定鈺院士與王慧田教授給予了研究指導(dǎo)，論文合作者還包括孫建教授課題組的魯清、韓瑜、朱怡杰和王俊杰。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金杰青項目和重大項目、國家重點研發(fā)計劃、教育部突破計劃先導(dǎo)項目、挑戰(zhàn)計劃和江蘇省基礎(chǔ)研究項目，以及南京大學(xué)AI & AI4S和AIQ項目等的資助，本工作還得到了南京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、固體微結(jié)構(gòu)物理全國重點實驗室以及江蘇省物理科學(xué)研究中心的支持。
 

　　引用：物理學(xué)院孫建與王銳等人預(yù)言一維FeS納米管中的量子相變和自旋手性-南京大學(xué)【引用時間：2026年9月23日】