浙江大学王秀瑜课题组在纳米磁学领域取得连续突破。该团队以“磁性纳米新材料-纳米磁学新理论-创新应用导向”的系统性研究范式，2025年在纳米磁学领域连发JACS [1-2]，为基于纳米磁学的医学成像/磁存储与纳米自旋电子器件开辟新路径。
自旋-晶格耦合打破尺寸依赖限制
在2025年年初发表于JACS的研究中 [1]，该团队首次在零维独立磁性纳米颗粒中揭示自旋-晶格耦合效应，成功实现4 nm Fe3O4颗粒从顺磁性到超顺磁性的转变。这一发现突破了传统纳米磁学中尺寸依赖的固有限制，为制备高性能磁性材料提供了全新理论框架。
结构型高熵合金实现快速磁化动力学
在最新发表的JACS论文中 [2]，该团队基于“晶体对称性破缺”的全新范式，提出结构型高熵合金概念，构建同时具备化学无序面心立方（FCC）晶体相和“四重晶界”结构的结构型高熵合金（SHEA）纳米颗粒，通过原子尺度的化学无序排布与晶格畸变协同作用，有效抑制轨道杂化与自旋–轨道耦合，在0维纳米体系中实现了对磁化动力学的有效调控。
图1. SHEAs与传统组分型高熵合金的对比
结构型高熵合金（SHEA）纳米颗粒同时具备化学无序的面心立方（FCC）晶体相和四重晶界结构，通过多尺度的晶格畸变与原子无序实现熵的显著提升。不同于传统依赖多组分掺杂来堆砌元素种类的做法，SHEAs更强调“结构熵工程”：一方面，扭曲晶格和复杂晶界网络引入拓扑无序，提高晶界相关的熵贡献；另一方面，原子尺度的化学无序排布提升了体系的构型熵。借助这种以结构无序为核心的高熵设计，有效削弱了磁各向异性，从而实现更快速、更灵敏可控的磁化动力学响应。
图2. SHEAs的四重晶界结构
高角度环形暗场扫描透射电子显微（HAADF-STEM）分析表明，SHEAs内部由四个尺寸和取向各异的晶粒组成；晶界彼此交错，构筑出复杂的晶界网络（由“⊥型互锁晶界”和“三角形晶界”共同构成）。
图3. SHEAs的原子化学无序
进一步的原子分辨成像和元素化学表征表明，晶粒内部呈现化学无序固溶体结构：Fe和Pt原子在面心立方晶格上随机占位，但整体仍保持规则的晶格骨架。相比之下，晶界区域表现出显著的晶格扭曲和化学无序排布，即原子在晶格位点上的占位和化学组分均高度无序。
图4. SHEAs的磁学特性
王秀瑜团队进一步表征了结构型高熵FePt合金纳米颗粒的磁学性质，发现其5 K下磁化在接近0 T的窄磁场范围内迅速变化，约0.5 T即可饱和，而在300 K时仅约0.3 T就能完成磁化反转，表明室温下磁化动力学显著加速。微分磁化率dM/dH在零场时峰值高达2068 emu•g-1•T-1，较传统FePt提高约一个数量级，体现出对外磁场极高的响应灵敏度。磁化弛豫时间τ会随外磁场的增强而从141 ns缩短至17.8 ns，同时在交变磁场下仍能保持准平衡、表现出稳定且可重复的磁化响应。进一步分析表明，该体系的磁各向异性常数K仅为4 × 105 J•m-3，约为传统 FCT-FePt的4%，超低各向异性能垒正是其实现快速、可控磁化动力学的关键。
图5. SHEAs快速磁化的物理机制
通过对比传统FCT-FePt和结构型高熵FCC-FePt纳米颗粒，揭示了晶体结构如何深刻影响磁学性质：在传统有序的FCT-FePt中，沿c轴的强定向轨道杂化以及长程有序的自旋–轨道耦合共同抬高了磁晶各向异性能垒，使自旋被“牢牢锁定”，磁化翻转较为迟缓；而在结构型高熵FePt合金纳米颗粒中，化学无序的FCC晶格与复杂晶界打乱了轨道杂化方向并削弱自旋–轨道耦合，有效降低磁各向异性，从而显著加速磁化反转，为实现快速、低能耗的磁化调控提供了结构设计新思路。
本研究由浙江大学王秀瑜、成正东团队共同完成。浙江大学的李汪情博士为论文第一作者。王秀瑜为论文唯一通讯作者，浙江大学为该研究唯一完成单位。作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52373230）和中央财政双一流建设资金（112100*1942225R1/004）的支持。感谢清华大学燕立唐教授在结构型高熵合金概念方面提出的宝贵建议，以及在研究过程中富有启发性的深入讨论。
1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Beating the Size-Dependent Limit with Spin−Lattice Coupling in Nanomagnetism
Mengmeng Li and Xiuyu Wang
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 1732-1739, DOI: 10.1021/jacs.4c12978
2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Structural High-Entropy FePt Alloy Nanoparticles Enabled Fast Magnetization Dynamics
Wangqing Li, Zhengdong Cheng, and Xiuyu Wang
J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c16751
王秀瑜教授简介
王秀瑜，浙江大学能源工程学院“百人计划”研究员，博士生导师。研究领域是纳米磁学和磁流体及其创新应用。在相关领域发表SCI论文60余篇，包括以一作或通讯作者发表JACS、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等。建立磁性纳米材料的“一锅法”制备工艺，构建涵盖40余种单相/多相/核壳/高熵磁性纳米颗粒的材料库，实现对颗粒尺寸、形貌、晶体结构的精准调控，揭示及建立明确的磁-构关系，达到对饱和磁化强度、剩磁、矫顽力、阻塞温度、交换偏置强度、磁化动力学与磁各向异性等磁学性质的可编程设计。
课题组链接：
https://person.zju.edu.cn/0019150
https://www.x-mol.com/university/faculty/386639
李汪情博士简介
李汪情，浙江大学能源工程学院2024级博士研究生。研究领域是纳米磁学及创新应用。
