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晶體對稱性是材料科學中的一個基本概念，在決定結構-效能關係方面起著至關重要的作用。通常情況下，晶體是組成物質的結構基元在三維空間週期性重複排列構成的固體，因此，它是一種同時具有平移對稱性和旋轉對稱性的結構體系。當體系中特定形式的對稱性因自發過程或外部影響而被破壞時，往往會出現新奇的物理現象和化學特性。然而，過去對材料原子構型的設計與調控往往集中在調控幾何形態、化學摻雜和局域環境方面，新型對稱材料幾乎未見報道。
針對這一問題，北京航空航天大學郭林教授、復旦大學車仁超教授、清華大學谷林教授和中國科學院物理研究所郭爾佳研究員組成的研究團隊報道了一種具有新奇對稱性分佈的NiS奈米棒，其原子排列兼具有徑向旋轉對稱性和軸向平移對稱性。這是國際首次在單一奈米結構中實現與方向相關的對稱性分離，在已知的三維空間群和點群的傳統描述中未見報道，是對傳統晶體學關於材料結構定義的重新認知。因其獨特的晶體結構，該奈米棒在不同方向同時顯現出條紋磁疇和渦旋磁疇組合的磁學特性。
相關研究發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR），北京航空航天大學康建新、胡奇、黃忠寧，復旦大學張瑞軒，以及清華大學高昂為論文共同第一作者。
圖1. NiS奈米棒的形貌及原子結構。(a) 直徑約為2.7奈米的NiS奈米棒的TEM影像。(b) NiS奈米棒徑向的ADF-STEM影像和 (c) 相應的FFT圖案。(d) NiS奈米棒軸向的ADF-STEM影像和 (e) 對應的FFT 圖案。(f-g）直徑約為 6 奈米的較粗的NiS奈米棒徑向的ADF-STEM影像。(h-i）較粗的NiS奈米棒軸向的ADF-STEM 影像。(g)和 (i)中的藍色和黃色球體分別代表 Ni和 S 原子。
透過精細結構表徵發現，NiS奈米棒的橫截剖面清晰地顯示出規則的五圈原子環，而不是傳統的週期性晶格。在徑向上，NiS奈米棒具有旋轉對稱性，但不具有平移對稱性。相反，從側面觀察，NiS 奈米棒呈現出規則的平移週期性，但其僅有的水平條紋和混亂的原子級結構表明原子在徑向的投影週期性是無序的，徑向對稱性被破壞。實驗結果表明，當奈米棒生長到一定直徑時，NiS奈米棒才具有傳統晶體類似的旋轉對稱性和平移對稱性。
NiS奈米棒的條紋疇-渦旋疇耦合磁特性。NiS 奈米棒分別沿軸向（a 和 c）和徑向（b 和 d）的TEM電子全息圖和重建的磁疇分佈。在軸向（e）和徑向（f）的模擬磁矩分佈。(g-h)體相NiS和重構 (100) 方向表面上的NiS電子結構。(i-j) 分別沿徑向和軸向顯示的三層結構 NiS 奈米棒的非共軛磁性計算結果。
更進一步，研究團隊透過洛倫茲電鏡測量了NiS奈米棒在奈米尺度的磁性分佈。結果表明，NiS奈米棒具有軸向反平行的條紋磁疇和徑向渦旋疇，說明電子自旋排列遵循原子的固有排列。沿長軸方向，長程有序的原子排列產生了同方向的自旋和排列磁矩，同時形成了疇壁。在徑向方向上，原子的圓形排列限制了自旋的取向一致性，磁矩被排列成一個閉合迴路。因此，在 NiS 奈米棒中觀察到的對稱分離展示了多種磁序的整合，這是以前在傳統晶體、準晶體和非晶體材料中未觀察到的現象。
這種由特殊晶體對稱性誘導產生的本徵磁構型對於發現新的磁耦合關係和促進高密度非易失性磁記錄介質的提供了新材料和新設計思路。
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