普通的金属回形针会粘在磁铁上。科学家们把这种含铁物质归类为铁磁体。一个多世纪以前，物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和旺德·德·哈斯(Wander de Haas)报告了铁磁体的惊人效应。如果你把一个铁圆柱体挂在一根电线上，让它暴露在磁场中，只要你把磁场的方向倒过来，它就会开始旋转。
“爱因斯坦和德哈斯的实验几乎就像一场魔术表演，”美国能源部(DOE)阿贡国家实验室材料科学和x射线科学部的物理学家温海丹说。“你可以让一个圆柱体在不接触它的情况下旋转。”
在《自然》杂志上，一组来自阿贡和其他美国国家实验室和大学的研究人员报告了一种类似但不同的“反”铁磁体效应。这可能在需要超精确和超快速运动控制的设备中有重要的应用。一个例子是用于生物医学应用的高速纳米马达，例如用于微创诊断和手术的纳米机器人。
铁磁体和反铁磁体的区别在于一种叫做电子自旋的特性。这个自旋有一个方向。科学家们用箭头表示方向，箭头可以指向上或下，也可以指向中间的任何方向。在上面提到的磁化铁磁体中，与铁原子中所有电子相关的箭头可以指向同一个方向，比如向上。颠倒磁场会使电子自旋方向颠倒。所有的箭头都是向下的。这种反转导致了圆柱体的旋转。
加州大学伯克利分校的米勒研究员Alfred Zong说:“在这个实验中，电子自旋的微观特性被利用来引发圆柱体(一个宏观物体)的机械响应。”
例如，在反铁磁体中，电子的自旋不是全部指向上方，而是在相邻的电子之间从上到下交替。这些相反的自旋相互抵消，因此反铁磁体不会像铁磁体那样对磁场的变化做出反应。
“我们问自己的问题是，电子自旋能否在反铁磁体中引起与爱因斯坦-德-哈斯实验中的圆柱体旋转不同但在精神上相似的反应?”温家宝说。
为了回答这个问题，研究小组准备了一种反铁磁体——三硫化铁磷(FePS3)的样本。样品由多层FePS3组成，每层只有几个原子厚。
华盛顿大学物理与材料科学教授徐晓东说:“与传统的磁铁不同，FePS3是特殊的，因为它是在层状结构中形成的，层之间的相互作用非常弱。”
温补充说:“我们设计了一套确证实验，在实验中，我们向这种分层材料发射超快激光脉冲，并使用光学、x射线和电子脉冲测量材料特性的最终变化。”
研究小组发现，脉冲通过扰乱电子自旋的有序方向来改变材料的磁性。电子自旋的箭头不再以有序的方式在上下之间交替，而是无序的。
“这种电子自旋的混乱导致了整个样品的机械反应。“因为层之间的相互作用很弱，样品的一层能够相对于相邻层来回滑动，”麻省理工学院(MIT)的物理学教授Nuh Gedik解释说。
这种运动非常快，每次振荡10到100皮秒。皮秒等于万亿分之一秒。这是如此之快，以至于在一皮秒内，光只传播了三分之一毫米。
原子尺度空间分辨率和皮秒尺度时间分辨率的样品测量需要世界一流的科学设备。为此，该团队依靠尖端的超快探测器，利用电子和x射线束来分析原子结构。
在华盛顿大学的光学测量的激励下，最初的研究使用了SLAC国家加速器实验室的兆电子伏超快电子衍射设备。在麻省理工学院的超快电子衍射装置上进行了进一步的研究。这些结果得到了纳米材料中心(CNM)的超快电子显微镜设备和先进光子源(APS)的11-BM和7-ID光束线的补充。CNM和APS都是美国能源部科学办公室在阿贡的用户设施。
层状反铁磁体中的电子自旋也具有比皮秒更长时间的效应。在一项使用APS和CNM设备的早期研究中，研究小组成员观察到，电子自旋从无序行为到有序行为的转变附近，层的波动运动显著减缓。
宗说:“在我们目前的研究中，关键的发现是发现了电子自旋和原子运动之间的联系，这是这种反铁磁体的层状结构所特有的。”“由于这种联系在如此短的时间和微小的长度尺度上表现出来，我们设想通过改变磁场或施加微小的应变来控制这种运动的能力将对纳米级设备产生重要影响。”
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