在一個(gè)世紀(jì)以前，愛因斯坦和哈德斯做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，它后來(lái)被稱為愛因斯坦-哈德斯效應(yīng)。他們用一根細(xì)絲把一個(gè)圓柱形磁鐵懸掛在線圈之中，當(dāng)線圈通電時(shí)，磁鐵就開始旋轉(zhuǎn)起來(lái)了。考慮到動(dòng)量守恒，磁鐵內(nèi)部需要有一個(gè)等大反向的角動(dòng)量來(lái)補(bǔ)償。

一篇發(fā)表在《自然》雜志上的論文，揭示了一種類似愛因斯坦-哈德斯效應(yīng)但又不同的效果。就是在一種叫做范德華反鐵磁體的材料中，原子間的自旋排列可以導(dǎo)致整個(gè)材料發(fā)生剪切振蕩，也就是沿著一個(gè)方向來(lái)回滑動(dòng)。這種現(xiàn)象不僅展示了自旋和晶格之間的強(qiáng)烈耦合，而且為實(shí)現(xiàn)高頻率的機(jī)械諧振器提供了一種新的途徑。

范德華反鐵磁體是一種由多層原子薄片堆疊而成的二維材料，它們之間通過范德華力相互吸引，但又可以很容易地分離。這種材料有很多優(yōu)異的性質(zhì)，比如高強(qiáng)度、高柔韌性、高導(dǎo)電性等。而且，在每一層原子薄片中，原子的自旋可以有不同的排列方式，形成不同的磁性狀態(tài)。比如，在該論文研究的FePS3材料中，每一層原子薄片都是一個(gè)反鐵磁體，也就是說(shuō)，相鄰的原子自旋方向相反，使得整個(gè)層沒有凈磁矩。而不同層之間的自旋方向也可以有不同的相對(duì)關(guān)系，比如平行或者垂直。這些不同的自旋排列方式會(huì)影響材料的光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性質(zhì)。

那么，在這種范德華反鐵磁體中，為什么會(huì)出現(xiàn)剪切振蕩呢？這就要從自旋和晶格之間的耦合說(shuō)起了。我們知道，在一個(gè)晶體中，原子不是靜止不動(dòng)的，而是會(huì)在平衡位置附近做微小的振動(dòng)，這種振動(dòng)的量子化叫做聲子。聲子可以攜帶能量和動(dòng)量，在晶體中傳播，并且可以和其他粒子發(fā)生相互作用。

比如，在一個(gè)鐵磁體中，聲子可以和自旋波發(fā)生耦合，自旋波是一種由自旋翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的集體激發(fā)模式，它也可以攜帶能量和動(dòng)量，并且影響材料的磁性。當(dāng)聲子和自旋波耦合時(shí)，它們可以相互轉(zhuǎn)化，也就是說(shuō)，聲子可以把能量和動(dòng)量轉(zhuǎn)移給自旋波，反之亦然。這種轉(zhuǎn)化過程會(huì)導(dǎo)致晶體發(fā)生形變，比如伸縮或者扭轉(zhuǎn)，這就是所謂的磁致伸縮效應(yīng)或者壓電效應(yīng)。這些效應(yīng)在鐵磁體中已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用了。

但是，在反鐵磁體中，情況就不一樣了。因?yàn)榉磋F磁體沒有凈磁矩，所以它們對(duì)外界的磁場(chǎng)不敏感，也就很難用磁場(chǎng)來(lái)調(diào)控它們的自旋狀態(tài)。而且，反鐵磁體中的自旋波和聲子的耦合也不像鐵磁體中那么強(qiáng)，所以它們很難相互轉(zhuǎn)化。那么，有沒有一種方法可以在反鐵磁體中實(shí)現(xiàn)自旋和晶格之間的強(qiáng)烈耦合呢？答案是有的。

研究人員利用了一種叫做超快激光的工具，它可以產(chǎn)生一系列持續(xù)時(shí)間只有幾飛秒的光脈沖，每個(gè)光脈沖都可以攜帶很大的能量，足以激發(fā)材料中的電子、自旋和聲子。

研究人員首先用一個(gè)超快激光脈沖照射在FePS3材料上，這個(gè)脈沖可以迅速把材料中的電子加熱到幾千度，從而導(dǎo)致電子的自旋發(fā)生混亂，這就是所謂的超快退磁。當(dāng)電子的自旋混亂時(shí)，它們就會(huì)失去原來(lái)的反鐵磁序。這樣一來(lái)，原來(lái)平衡的自旋系統(tǒng)就會(huì)被打破，產(chǎn)生一個(gè)巨大的自旋扭矩，這個(gè)扭矩會(huì)迫使自旋重新排列，恢復(fù)反鐵磁序。

但是，在這個(gè)過程中，自旋不僅要恢復(fù)原來(lái)的方向，還要考慮到相鄰層之間的相互作用，因?yàn)椴煌瑢又g的自旋方向會(huì)影響到整個(gè)材料的能量最低狀態(tài)。所以，為了達(dá)到能量最低，自旋不僅會(huì)在垂直于層面的方向上發(fā)生翻轉(zhuǎn)，還會(huì)在平行于層面的方向上發(fā)生滑動(dòng)。這種滑動(dòng)就相當(dāng)于晶格的剪切形變，也就是說(shuō)，在每一層原子薄片中，原子會(huì)沿著一個(gè)固定的方向相對(duì)移動(dòng)一段距離。這樣一來(lái)，整個(gè)材料就相當(dāng)于一個(gè)剪切振蕩器 ，它可以在一個(gè)固定的頻率下做周期性的剪切振動(dòng)。

那么，這種剪切振蕩有什么特別之處呢？首先，它是由自旋驅(qū)動(dòng)的，也就是說(shuō)，它是由自旋和晶格之間的耦合引起的，而不是由外界施加的力或者電場(chǎng)引起的。這就意味著，我們可以通過改變自旋狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)剪切振蕩的頻率和幅度。其次，它是由超快退磁激發(fā)的，也就是說(shuō)，它是由超快激光脈沖觸發(fā)的。這就意味著，我們可以通過改變超快激光脈沖的強(qiáng)度和時(shí)間來(lái)控制剪切振蕩的啟動(dòng)和停止。第三，它是在范德華反鐵磁體中實(shí)現(xiàn)的，它是在一種二維的、柔性的、可剝離的材料中實(shí)現(xiàn)的。這就意味著，我們可以通過改變材料的厚度和形狀來(lái)調(diào)整剪切振蕩的特性。

這些特點(diǎn)使得這種剪切振蕩具有很高的應(yīng)用潛力，比如，它可以用來(lái)制作高頻率的機(jī)械諧振器，這種諧振器可以用來(lái)檢測(cè)微小的力或者質(zhì)量變化，或者用來(lái)傳輸和處理信息。

研究人員用一種叫做超快拉曼光譜的方法來(lái)觀測(cè)和分析這種剪切振蕩。這種方法可以同時(shí)測(cè)量材料中的聲子和自旋波的頻率和強(qiáng)度，從而揭示它們之間的耦合關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，在FePS3材料中，剪切振蕩的頻率大約是1.6 THz，也就是每秒鐘振動(dòng)1.6萬(wàn)億次，這是一個(gè)非常高的頻率，比一般的機(jī)械振蕩器要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且，剪切振蕩的幅度也很大，每一層原子薄片相對(duì)移動(dòng)的距離大約是0.1納米，也就是原子間距離的百分之一。這說(shuō)明了自旋和晶格之間有著非常強(qiáng)烈的耦合，而且這種耦合是由超快退磁引起的。