中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展强磁... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（SHMFF）是国家“十一五”重大科技基础设施，由中国科学院合肥物质科学研究院与中国科学技术大学共建，各项任务依托强磁场科学中心开展。装置于2017年通过国家验收，验收专家组一致认为，SHMFF“磁体技术和综合性能达到国际领先水平... 更多简介 +
近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心联合澳门科技大学、中国科学院地质与地球物理研究所、南京大学、安徽大学、英国爱丁堡大学和瑞士苏黎世联邦理工学院，在嫦娥六号返回月壤磁性矿物研究方面取得新进展。研究团队首次在天然月球样品中发现能够稳定保存的面心立方结构γ-Fe，并揭示其稳定的单磁涡旋态，为认识月球表面磁性矿物及其剩磁记录机制提供了新的物质基础。相关成果以“Magnetic vortex state of natural lunar γ-Fe”为题，在线发表于国际学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）。
月球现今不存在全球性磁场，但月表广泛分布的剩磁表明，月球早期可能曾存在全球性磁场。月球古磁场究竟源于月核发电机，还是受到大型撞击等外部过程影响，一直是月球磁学研究的重要科学问题。月壤中的磁性矿物是记录这些磁场信息的重要载体，其种类、磁畴状态及载磁机制对于认识月球磁场演化具有重要意义。
图1. 月球地形与磁异常。（A）以南极-艾特肯盆地为中心的半球的地形地貌图；（B）对应区域的磁异常分布：绘制图为球面投影，经纬度网格线间隔均为30°。2024年，嫦娥六号任务从月球背面返回了首批表层月壤样品。红色五角星为采样点位置(41.64 °S, 153.99 °W)。
研究团队从嫦娥六号月壤中选取含金属铁的撞击玻璃颗粒，通过聚焦离子束制样、高分辨透射电子显微镜及成分分析，发现大量纳米级金属铁颗粒分散在玻璃质基体中。晶体结构分析进一步证实，其中存在面心立方结构的 γ-Fe。在所统计的两个撞击玻璃样品中，γ-Fe 均为主要铁相。由于 γ-Fe 通常只在高温条件下稳定存在，并会在冷却过程中转变为α-Fe，因此此次发现表明，特殊的月表撞击环境能够使 γ-Fe 在常温下保存至今。
图2. γ-Fe颗粒的磁畴结构。（A）月壤样品HAADF-STEM图像；（B）通过离轴电子全息获取的样品磁相位；（C）图B中对应的磁感应图。
进一步利用离轴电子全息技术，研究人员在单颗粒尺度直接解析了 γ-Fe 的磁结构，发现尺寸较大的 γ-Fe 纳米颗粒呈现稳定的单磁涡旋态。在逐渐增强的外加磁场下，其磁涡旋结构持续演化，并表现出稳定的磁响应，表明这种 γ-Fe 具有保存剩磁信息的能力。
对于 γ-Fe能够在月表环境下长期保存的原因，研究认为可能与微量γ相稳定元素掺入和撞击熔体快速冷却的共同作用有关。微量碳可能降低γ-Fe的相变倾向，而撞击产生的熔体在无大气月表环境中快速淬火，可抑制碳扩散以及 γ-Fe 向 α -Fe 的结构转变；与此同时，快速固化的玻璃基质还可能通过力学约束进一步稳定其晶格结构。
该发现还为理解月球古磁场记录提供了新的视角。研究团队提出，γ-Fe 与 α-Fe 具有不同的形成温度和磁学响应，因此可能记录撞击过程中不同阶段的磁场信息。未来结合进一步的磁学实验和微磁模拟，有望评估γ-Fe对瞬态撞击磁场和月球发电机磁场的记录能力，为认识月球磁场演化及月表物质磁化机制提供新的依据。
澳门科技大学刘鹏飞教授、金子梁教授和强磁场科学中心杜海峰研究员为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、澳门基金会、澳门特别行政区科学技术发展基金及英国Natural Environment Research Council等项目的支持。
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