近日，材料基因组工程研究院葛军饴教授团队在人工自旋冰领域研究中取得重要进展，研究成果以“Growing Crystalline Artificial Kagome Ice at the Macroscale”为题发表在Cell出版社物理学旗舰期刊《Newton》，葛军饴教授为该文第一作者和唯一通讯作者。
自2006年提出人工自旋冰以来，该领域一直是当前凝聚态物理研究的前沿热点。作为研究几何阻挫、拓扑激发等复杂物理现象的理想平台，人工自旋冰在新型存储器件、磁子器件及量子模拟等方面展现出独特价值。然而受限于纳米磁体的弱相互作用和制备缺陷，国际学界长期面临长程有序态观测困难、相变机制模糊等核心挑战。上海大学葛军饴教授团队通过原创性宏观磁体晶格设计，首次实现Kagome晶格人工冰的长程有序晶体态。这项研究突破传统纳米制备技术的物理极限，为探索几何阻挫体系开辟了新范式。
图1宏观体系人工自旋冰设计原理
该研究首创逐个赝自旋生长方式，如同单晶生长般在kagome结构中有序引入相互作用单元，确保局部相互作用能和整体相互作用能的最小化，使系统自发形成磁荷-自旋双重长程有序的基态磁结构，解决了困扰领域十余年的基态有序相难题。该研究进一步开发“磁梳”技术，利用磁体阵列实现晶格长程有序态和高度简并无序态的可逆擦写(图2)。这一宏观尺度的磁态操控为研究磁畴动力学提供了直观平台。该研究进一步展示了在极端集体作用强度下，传统人工冰阻挫体系的崩塌及全新有序相的形成，首次发现了Kagome晶格结构中全新的长程有序铁磁II相，揭示了阻挫体系中集体相互作用的新规律。
图2人工冰磁态结构的写入与擦除以及多维度调控
这项突破性工作将人工冰研究推进到宏观可见尺度，使科学家能观测磁矩动力学过程。所构建的系统兼具传统自旋冰的局域相互作用和粒子冰的全局能量最小化特性，为研究拓扑磁振子、磁单极子动力学等前沿问题提供了理想平台。这是继该团队利用超导磁通涡旋物质设计全新可擦除人工涡旋冰体系(Nature Commun.9,2576)后再次在该领域取得重要突破。
图3强相互作用下长程有序磁铁II相的形成
该研究得到了国家重点研发计划课题（2018YFA0704301）和国家自然科学基金项目（12174242 and 11804217）以及上海市高校特聘教授（东方学者跟踪计划）的资助。葛军饴教授团队致力于超导磁通涡旋物质、多体相互作用和人工自旋冰体系的研究，先后以第一和通讯作者发表系列研究成果Newton1, 100143;Nature Commun.9,2576;NatureCommun.7, 13880；NatureCommun.6, 6573；Nano Lett.22, 7151-7157;Nano Lett.17, 5003-5007;Adv. Mater.37, 2411765;
课题组链接：https://www.x-mol.com/groups/Junyi?lang=zh
文章链接：https://www.cell.com/newton/fulltext/S2950-6360(25)00135-5
