几年前预测的200多种材料可能是“交替磁铁”

几千年来，人们一直被磁铁的神奇所吸引。古希腊哲学家认为，被称为磁石的黑暗岩石具有灵魂，因为它们能够移动铁片。

Researchers discover new kind of magnetism | Science | AAAS

物理学家现在知道，磁性材料从其内部原子的行为中收集能量。但磁力仍然隐藏着秘密。研究人员最近发现了一种全新磁性的迹象，这种磁性具有两种传统磁性（铁磁性和反铁磁性）的特征。

根据理论预测，应该有200多种材料表现出这种新发现的现象，物理学家正在接近它的直接实验证据，这可能会导致更有效的电子设备。他们已经发现了一些似乎表现出这种“全新磁性”的材料，莱昂·布里渊实验室的物理学家保罗·麦克拉蒂说。“它扩大了我们对物质工作方式的理解。

在固体材料内部，原子被电子包围，这些电子都具有一种称为自旋的特性，它赋予每个原子自己的微小磁场。每个原子的总自旋由一个箭头表示，该箭头可以指向不同的方向。在铁磁体中，材料内部的所有自旋都对齐，从而产生净磁场。除了将照片粘在冰箱上之外，铁磁体也很有用，因为它们的自旋可以通过施加另一个磁场轻松翻转，从而产生可用作计算机内存的不同状态。这种技术催生了新兴的自旋电子学技术，其中信息是通过电子自旋而不是电荷编码的。

在 1930 年代，科学家们意识到相邻原子的自旋指向相反的方向更为常见，因此它们的净磁化强度抵消了。由于交错排列比均匀排列更稳定，因此这些反铁磁体几乎不可能通过施加的磁场或电场进行磁化。1970年，法国物理学家路易斯·内尔（Louis Néel）因其在反铁磁学方面的开创性工作而获得诺贝尔奖，他将这种现象描述为“有趣但无用”。然而，这个概念被证明是方便的：在第二次世界大战期间，线圈被用来使船体表现得像反铁磁体，并躲避磁铁寻雷。

最近，科学家们开始设计用反铁磁体构建自旋电子器件的策略。尽管它们的刚性自旋更难操纵，但原则上它们的翻转速度比铁磁体快 1000 倍，从而实现更节能的信息存储和处理。

几年前，美因茨约翰内斯·古腾堡大学的物理学家Libor Šmejkal正在寻找一种可能的反铁磁自旋电子材料。他偶然发现了一种叫做二氧化钌的化合物，这种化合物看起来很有前途，但很奇怪。他的计算表明，它应该没有净磁化强度，就像普通的反铁磁体一样。但他也预测，当受到电流作用时，材料会表现得像铁磁体：材料中的磁力会使电流中的电子偏转，从而在垂直方向上产生强电压。2020年，中国的一个研究小组通过实验证实了二氧化钌的悖论特性。

第二年，Šmejkal及其同事提出了一项提案，解释了像二氧化钌这样的材料如何既是铁磁体，又是反铁磁体。他们称它们为交替磁铁。在大多数材料中，电子自旋箭头与其晶格内宿主原子的方向对齐。但是在某些材料中，自旋箭头可以独立于原子旋转，Šmejkal及其同事认为，其中每个其他原子旋转90°，其自旋翻转180°。

磁力的新转折

大多数磁性材料的特性取决于每个原子的磁场（由其自旋表示）是朝上（粉红色）还是向下（蓝色）。在交替磁体中，原子及其自旋独立旋转，赋予它们铁磁体和反铁磁体的特性。

Altermagnets将结合铁磁体和反铁磁体最珍贵的特征。由于净磁化强度为零，它们具有反铁磁体的稳定性和快速的自旋翻转速度。但是，交替磁体中的自旋，就像铁磁体中的自旋一样，可以很容易地进入不同的上升和下降状态，从而更容易地写入记忆。“你也可以吃蛋糕，”美因茨小组的另一位物理学家Jairo Sinova说。铁磁自旋通常被磁场翻转，而交替磁体中的自旋可以通过在不同方向上施加电流来操纵。

理论家们很快就接受了Šmejkal的描述，因为它的数学优雅，但许多人对这种现象在这么长时间内被忽视感到惊讶。“这是毋庸置疑的理论结构之一，”乔治梅森大学的物理学家伊戈尔·马津（Igor Mazin）说。“然而，它以前从未被讨论过。”

据预测，有200多种材料具有交磁性，是已知铁磁材料数量的两倍多。研究人员现在开始通过将激光照射在材料上来哄骗它喷射电子来寻找这种特性。通过测量这些电子的性质，科学家们可以寻找交替磁性的标志：落在两个不同能带内的能级，反映自旋向上和自旋向下的电子。（反铁磁体也有自旋向上和自旋向下的电子，但它们处于相同的能级。

上个月，韩国的一个研究小组发现了碲化锰材料中电子能量的预测分裂。最近的另外两项研究在碲化锰和二氧化钌中发现了类似的信号，并试图将能带与特定的自旋极性联系起来。“水晶般清晰的证据真的很难通过实验实现，”首尔国立大学的博士生Suyoung Lee说，他领导了一项最新研究。“但我想说的是，我们现在有足够的实验证据......这种交替磁性确实是一回事。

McClarty说，这些新实验“与交变磁性一致”，但仅通过材料磁性景观的一部分揭示了自旋行为。他说，在实验人员捕捉到整个3D结构的行为之前，“我不会挂上我的外套。此外，在电子设备中利用交替磁铁之前，科学家们必须学会合成具有一致交替磁取向的材料，而不是不断变化的配置拼凑而成。

Mazin说，材料的替代磁性构成的确认几乎是肯定的。“在自然界中，他们不可能不这样做，”他说。他认为验证工作类似于“证明二乘以二等于四的实验”。

但对李来说，这次狩猎还带来了其他回报：一个探索可能带来实际应用的新兴复杂现象的机会。“我认为这是一个全新的交磁学领域的起点，”她说。“我很高兴能成为其中的一员。”