近日，我校物理学院孙建教授和王锐教授等人合作在低维量子材料研究领域取得了新进展。他们提出了一种构筑可调控阻挫磁体的新策略，发现将铁元素和硫元素封装在碳纳米管中，不仅可以使传统块体材料中难以存在的FeS纳米管结构稳定下来，还能在同一体系内实现铁电、阻错磁结构、手性以及分数磁化平台等多种物性调控。这一发现不仅为探索低维量子相变、量子磁性和多铁耦合等提供了全新材料平台，也为未来纳米电子器件和量子器件领域开辟了潜在研究方向。

长期以来，低维体系因其突破传统材料尺寸限制的能力而备受关注。特别是在纳米电子学和信息技术中，材料不仅需要尺寸足够小，还需要具备可调控的电、磁和结构性质。多铁性材料正是在这一背景下受到广泛重视，因为它们可以同时表现出多种铁性序，使电场、磁场和晶格结构之间产生耦合。然而，与二维多铁材料相比，一维多铁体系的研究仍处于相对空白阶段。如何在一维尺度上设计稳定、可调、具有丰富量子相的材料，是该领域长期面临的核心科学问题。

在一维磁性体系中，自旋阻挫是产生新奇量子现象的重要机制。当不同磁相互作用彼此竞争、无法同时满足时，体系便可能进入传统磁序之外的特殊状态，例如非共线磁结构、手性和分数磁化平台等。这些现象对理解量子体系中的强关联现象具有基础意义，也可能成为新型量子器件的功能来源。但现实困难在于，真正经过实验验证的一维阻挫磁性化合物非常有限；已有材料往往结构刚性强、可调性不足，难以实现不同磁态之间的连续调控和相变研究。

图1. 一维受限FeS纳米管的多铁性质。（a）FeS @（8，8）CNT的晶体结构；（b）铁电和顺电态的结构及其展开形态；（c）FeS管的三态铁电势阱；（d）三种典型的磁结构，包括反铁磁（AFM）、120度非共线磁性（NCL）以及双胞非共线磁性（d-NCL）；（e）集中磁结构能量随结构长度演化关系；（f）无量纲磁相互作用参数构建的相图

针对这一瓶颈，研究团队将目光转向碳纳米管。碳纳米管具有天然的一维纳米空腔，能够封装原子或分子，为内部结构提供保护环境，并稳定在常规块体材料中难以形成的构型。基于孙建课题组自主开发的机器学习与图论辅助的晶体结构搜索MAGUS方法【Natl. Sci. Rev. 10, nwad128 (2023); Nature Computational Science 5, 255 (2025)】，研究人员在碳纳米管内发现了两种稳定的 FeS 纳米管结构，分别对应顺电相和铁电相。更重要的是，这两种结构展现出截然不同的磁结构：铁电相稳定于共线反铁磁态，而顺电相则由于面内自旋阻挫形成 120° 非共线磁态（见图1）。

研究进一步表明，该体系的性质并非固定不变，而是可以通过调节长度和铁电性质实现阻挫强度的连续控制。随着阻挫相互作用变化，FeS 纳米管可从反铁磁态转变为非共线磁态，并进一步进入双胞非共线磁态。王锐教授课题组通过大规模张量网络计算还揭示，在外磁场作用下，该体系会表现出独特的自旋手性响应和分数磁化平台（见图2）。这些特征正是低维阻挫磁体中备受关注的量子现象，说明碳纳米管封装体系不仅能够稳定新结构，还能为研究量子磁性提供高度可调的实验对象。

图2. 自旋手性与分数磁化平台。（a）在一定的磁场下，三种相 d-NCL、NCL 和 AFM 的磁化强度；它们分别对应图 1(f) 中的参数 I、IV 和 V。(b) 这三种相的磁化分量，磁化强度分别投影到自旋空间的 x-y、x-z 和 x-y平面。(c) 磁场诱导的手性序χ=Sl,1∙(Sl,2×Sl,2)，定义在每个三角单元上；对应 d-NCL 和 NCL 相，二者对外磁场表现出完全不同的手性响应。（d）在更高磁场下计算得到的三种相的磁化强度，其中NCL相表现出1/3磁化平台。

总的来说，这项研究提出了利用碳纳米管构筑一维阻挫磁体的新策略，并展示了 FeS 纳米管在磁有序、铁电性和量子相变调控方面的突出潜力。相比已知准一维化合物，该体系展现出更强的结构灵活性和物性可控性。未来，随着纳米封装、低温测量和电场调控技术的发展，这类碳纳米管内嵌一维材料体系有望成为研究低维量子物态的重要平台，并推动多铁量子材料在高密度集成、柔性电子和量子功能器件中的应用探索。

近年来，孙建教授课题组自主开发了机器学习与图论辅助的晶体结构搜索方法MAGUS，其接口与模块不断拓展，功能覆盖二维、三维、分子晶体、团簇、表面、界面、受限空间等体系。除第一性原理计算外，MAGUS还可以结合NEP、MTP、HotPP、 DeepMD、MACE、CHGnet和Mattersim等多种机器学习力场，搜索效率持续提升。目前国内外注册用户超过1000人，用户已使用MAGUS在Science、Nature Physics、PRL、JACS等高水平学术期刊上发表研究工作。

用MAGUS开展的二维和受限空间体系方面的研究工作还包括：碳纳米管中的氮纳米管【CPL (Express Letter) 39, 036101 (2022)】；两层石墨烯中惰性元素和简单金属的二维熔化和维度跨越现象【PNAS 122, e2502980122 (2025)】；石墨烯夹层中的超离子态甲烷水合物【Sci. China-Phys. Mech. Astron. 69, 276811 (2026) (封面文章)】等，本研究也是受限空间结构搜索方面的代表工作之一。

相关成果以“Controllable quantum phase transitions and frustrated spin responses in multiferroic FeS nanotubes”为题，发表于物理学顶级学术期刊《Physical Review Letters》上。南京大学物理学院特任副研究员丁驰、博士后杨涛为论文共同第一作者，孙建教授和王锐教授为共同通讯作者，邢定钰院士与王慧田教授给予了研究指导，论文合作者还包括孙建教授课题组的鲁清、韩瑜、朱怡杰和王俊杰。该研究获得了国家自然科学基金杰青项目和重大项目、国家重点研发计划、教育部突破计划先导项目、挑战计划和江苏省基础研究项目，以及南京大学AI & AI4S和AIQ项目等的资助，本工作还得到了南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理全国重点实验室以及江苏省物理科学研究中心的支持。

论文信息：Chi Ding, Tao Yang, Qing Lu, Yu Han, Yijie Zhu, Junjie Wang, Rui Wang, Hui-Tian Wang, Dingyu Xing, and Jian Sun, Controllable quantum phase transitions and frustrated spin responses in multiferroic FeS nanotubes, Phys. Rev. Lett. 137, 116402 (2026). https://doi.org/10.1103/xf8k-4r35

孙建课题组网站：https://sun.nju.edu.cn MAGUS程序网站：https://gitlab.com/bigd4/magus