德克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家實驗性地確認了一項數十年前的理論，該理論描述了超薄材料中的磁性行為。研究團隊通過冷卻一種原子厚度的鎳磷硫化物（NiPS3）晶體，觀察到了1970年代預測的完整異常磁性相序列，但從未在單一系統中完全展示過。這一突破集中於當材料冷卻至極低溫時出現的兩個不同磁性轉變。雖然過去的實驗中分別觀察到了每個轉變，但研究人員從未同時捕捉到這兩者，從而完成了理論的全貌。
實驗是在厚度僅為一個原子的 NiPS3 薄片上進行的。當溫度降至介於 -150 和 -130 摄氏度之間時，材料進入了一種稱為 Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）相的稀有狀態。在這一狀態下，原子磁矩排列成旋轉的漩渦圖案。這些漩渦成對形成，朝相反方向旋轉，一個順時針，另一個逆時針。這對結構緊密結合，創造了一種獨特的拓撲狀態，局限於單一的原子層內。
BKT 相特別引人注目，因為這些漩渦預測將非常穩定，並僅限於幾納米的橫向範圍，同時厚度僅為一個原子層。德克薩斯大學的物理學助理教授兼研究領導者 Edoardo Baldini 表示，這些漩渦的穩定性及其極小的尺寸為在納米尺度上控制磁性提供了新的途徑，並為二維系統中的普遍拓撲物理提供了見解。BKT 相的命名源於理論家 Vadim Berezinskii 及諾貝爾獎獲得者 J. Michael Kosterlitz 和 David Thouless，他們幾十年前描述了這種相變化，並因此獲得了2016年諾貝爾物理獎。
隨著團隊進一步冷卻材料，它進入了第二個磁性範疇，稱為六狀態時鐘有序相。在這一狀態中，磁矩不再自由旋轉，而是鎖定在六個對稱相關的方向之一。Baldini 表示，在這個階段，我們的工作展示了二維六狀態時鐘模型預期的完整相序列，並確立了納米級磁漩渦在純二維磁體中自然出現的條件。六狀態時鐘模型自1970年代以來一直是理論凝聚態物理學的基石框架，預測了二維系統中的特定磁性轉變序列。直到現在，沒有任何實驗能夠在實際材料中捕捉到這一完整過程。
研究結果表明，其他二維磁性材料可能也隱藏著類似的相。研究人員相信，操控這些納米漩渦的能力最終能支持超緊湊設備，可能將磁性存儲或邏輯元件縮小到前所未有的規模。未來的工作將集中於在更高溫度下穩定這些異常相，甚至可能接近室溫。如果成功，這將使物理學從低溫實驗室走向實用技術。該研究已發表於《自然材料》期刊。
