当晶体材料被逐层剥离至仅剩原子级厚度时，其磁性行为可能出现与块体截然不同的特征。德克萨斯大学奥斯汀分校研究团队在《自然材料》发表论文称，他们在一种超薄二维磁体中实验观测到一系列此前主要停留在理论框架中的磁相，并由此实现了上世纪70年代提出的二维六态时钟模型所预期的完整相序列。

研究人员指出，这一相序列包含两次关键转变，发生在材料被冷却至接近绝对零度的条件下。相关转变过去曾分别在实验中出现，但在同一体系中按理论预期的顺序完整呈现，此前尚未实现。

在实验中，团队将原子级薄的磷化镍三硫化物（NiPS3）冷却至约-150℃至-130℃区间，材料进入Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）相。在该相中，单个原子的磁取向（磁矩）形成涡旋状图案；涡旋以成对形式出现，旋向相反（一个顺时针、一个逆时针），并彼此紧密束缚。

BKT相以Vadim Berezinskii以及J. Michael Kosterlitz、David Thouless命名。Kosterlitz与Thouless因对这类相变的理论描述获得2016年诺贝尔物理学奖。

论文通讯作者、德克萨斯大学奥斯汀分校物理学助理教授Edoardo Baldini表示，BKT相之所以受到关注，在于理论预测其涡旋具有很高稳定性，横向尺度仅为数纳米，厚度则局限在单个原子层范围内。他称，这种稳定且微小的涡旋结构为纳米尺度磁性调控提供了新的可能，并有助于理解二维系统中的拓扑物理。

研究团队进一步降温后，材料转变为另一种磁相——六态时钟有序相。在该相中，磁矩会在六种彼此对称相关的取向中择一排列。研究人员表示，同时观测到BKT相与更低温下的有序态，意味着二维六态时钟模型在实验上得到了实现。

Baldini称，该工作展示了二维六态时钟模型所预期的完整相序列，并确定了纳米尺度磁涡旋在纯二维磁体中自然出现的条件。

研究团队还提到，后续工作将继续探索材料属性的组合，以期在更高温度下稳定类似磁相，甚至尝试接近室温条件。研究人员认为，此次观测为相关方向提供了基础。

除NiPS3之外，论文结果还提示，一大类二维磁性材料中可能存在尚未被充分探索的磁相，从而为基础物理研究与纳米器件概念提供新的线索。