受爱因斯坦和德哈斯的启发：科学家发现层状磁性材料中的超快运动

在一个世纪以前，爱因斯坦和哈德斯做了一个有趣的实验，它后来被称为爱因斯坦-哈德斯效应。他们用一根细丝把一个圆柱形磁铁悬挂在线圈之中，当线圈通电时，磁铁就开始旋转起来了。考虑到动量守恒，磁铁内部需要有一个等大反向的角动量来补偿。

一篇发表在《自然》杂志上的论文，揭示了一种类似爱因斯坦-哈德斯效应但又不同的效果。就是在一种叫做范德华反铁磁体的材料中，原子间的自旋排列可以导致整个材料发生剪切振荡，也就是沿着一个方向来回滑动。这种现象不仅展示了自旋和晶格之间的强烈耦合，而且为实现高频率的机械谐振器提供了一种新的途径。

范德华反铁磁体是一种由多层原子薄片堆叠而成的二维材料，它们之间通过范德华力相互吸引，但又可以很容易地分离。这种材料有很多优异的性质，比如高强度、高柔韧性、高导电性等。而且，在每一层原子薄片中，原子的自旋可以有不同的排列方式，形成不同的磁性状态。比如，在该论文研究的FePS3材料中，每一层原子薄片都是一个反铁磁体，也就是说，相邻的原子自旋方向相反，使得整个层没有净磁矩。而不同层之间的自旋方向也可以有不同的相对关系，比如平行或者垂直。这些不同的自旋排列方式会影响材料的光学、电学和机械性质。

那么，在这种范德华反铁磁体中，为什么会出现剪切振荡呢？这就要从自旋和晶格之间的耦合说起了。我们知道，在一个晶体中，原子不是静止不动的，而是会在平衡位置附近做微小的振动，这种振动的量子化叫做声子。声子可以携带能量和动量，在晶体中传播，并且可以和其他粒子发生相互作用。

比如，在一个铁磁体中，声子可以和自旋波发生耦合，自旋波是一种由自旋翻转而产生的集体激发模式，它也可以携带能量和动量，并且影响材料的磁性。当声子和自旋波耦合时，它们可以相互转化，也就是说，声子可以把能量和动量转移给自旋波，反之亦然。这种转化过程会导致晶体发生形变，比如伸缩或者扭转，这就是所谓的磁致伸缩效应或者压电效应。这些效应在铁磁体中已经被广泛研究和应用了。

但是，在反铁磁体中，情况就不一样了。因为反铁磁体没有净磁矩，所以它们对外界的磁场不敏感，也就很难用磁场来调控它们的自旋状态。而且，反铁磁体中的自旋波和声子的耦合也不像铁磁体中那么强，所以它们很难相互转化。那么，有没有一种方法可以在反铁磁体中实现自旋和晶格之间的强烈耦合呢？答案是有的。

研究人员利用了一种叫做超快激光的工具，它可以产生一系列持续时间只有几飞秒的光脉冲，每个光脉冲都可以携带很大的能量，足以激发材料中的电子、自旋和声子。

研究人员首先用一个超快激光脉冲照射在FePS3材料上，这个脉冲可以迅速把材料中的电子加热到几千度，从而导致电子的自旋发生混乱，这就是所谓的超快退磁。当电子的自旋混乱时，它们就会失去原来的反铁磁序。这样一来，原来平衡的自旋系统就会被打破，产生一个巨大的自旋扭矩，这个扭矩会迫使自旋重新排列，恢复反铁磁序。

但是，在这个过程中，自旋不仅要恢复原来的方向，还要考虑到相邻层之间的相互作用，因为不同层之间的自旋方向会影响到整个材料的能量最低状态。所以，为了达到能量最低，自旋不仅会在垂直于层面的方向上发生翻转，还会在平行于层面的方向上发生滑动。这种滑动就相当于晶格的剪切形变，也就是说，在每一层原子薄片中，原子会沿着一个固定的方向相对移动一段距离。这样一来，整个材料就相当于一个剪切振荡器 ，它可以在一个固定的频率下做周期性的剪切振动。

那么，这种剪切振荡有什么特别之处呢？首先，它是由自旋驱动的，也就是说，它是由自旋和晶格之间的耦合引起的，而不是由外界施加的力或者电场引起的。这就意味着，我们可以通过改变自旋状态来调节剪切振荡的频率和幅度。其次，它是由超快退磁激发的，也就是说，它是由超快激光脉冲触发的。这就意味着，我们可以通过改变超快激光脉冲的强度和时间来控制剪切振荡的启动和停止。第三，它是在范德华反铁磁体中实现的，它是在一种二维的、柔性的、可剥离的材料中实现的。这就意味着，我们可以通过改变材料的厚度和形状来调整剪切振荡的特性。

这些特点使得这种剪切振荡具有很高的应用潜力，比如，它可以用来制作高频率的机械谐振器，这种谐振器可以用来检测微小的力或者质量变化，或者用来传输和处理信息。

研究人员用一种叫做超快拉曼光谱的方法来观测和分析这种剪切振荡。这种方法可以同时测量材料中的声子和自旋波的频率和强度，从而揭示它们之间的耦合关系。他们发现，在FePS3材料中，剪切振荡的频率大约是1.6 THz，也就是每秒钟振动1.6万亿次，这是一个非常高的频率，比一般的机械振荡器要高出几个数量级。而且，剪切振荡的幅度也很大，每一层原子薄片相对移动的距离大约是0.1纳米，也就是原子间距离的百分之一。这说明了自旋和晶格之间有着非常强烈的耦合，而且这种耦合是由超快退磁引起的。