摘要：研究人员已经获得了第一个决定性的证据，证明一种难以捉摸的第三类磁学，称为交替磁学。他们的研究结果于 12 月 11 日发表在《自然》杂志上，可能会彻底改变新型高速磁性存储设备的设计，并为开发更好的超导材料提供缺失的拼图。

科学家们发现了一种难以捉摸的第三种形式的磁学，它可能有助于解决关于超导体的长期谜题。

一张抽象的概念图，展示了新形式的 “altermagnetism” 将如何运作。 （图片来源： 亚历克斯·斯皮德 CC BY 4.0的）

研究人员已经获得了第一个决定性的证据，证明一种难以捉摸的第三类磁学，称为交替磁学。他们的研究结果于 12 月 11 日发表在《自然》杂志上，可能会彻底改变新型高速磁性存储设备的设计，并为开发更好的超导材料提供缺失的拼图。

“我们以前有两种公认的磁学类型，”研究作者、英国诺丁汉大学博士后研究员奥利弗·阿明 （Oliver Amin） 。“铁磁性，其中磁矩，你可以想象成原子尺度上的小罗盘箭头，都指向同一个方向。还有反铁磁性，其中相邻的磁矩指向相反的方向——你可以把它想象得更像一个由白色和黑色交替的瓷砖组成的棋盘。

电流中的电子自旋必须指向两个方向之一，并且可以与这些磁矩对齐或逆向以存储或携带信息，从而构成磁性存储设备的基础。

Altermagnetic 材料于 2022 年首次提出理论，其结构介于两者之间。每个单独的磁矩都指向与其相邻方向相反的方向，就像在反铁磁材料中一样。但是每个单元相对于这个相邻的磁性原子都略微扭曲，从而产生一些类似铁磁性的特性。

因此，Altermagnets 结合了铁磁和反铁磁材料的最佳特性。“铁磁体的好处是，我们有一种简单的方法来使用这些向上或向下域来读取和写入内存，”该研究的合著者、同样在诺丁汉大学攻读博士学位的阿尔弗雷德·达尔丁 （Alfred Dal Din） 。“但是，由于这些材料具有净磁性，因此在其上擦除磁铁也很容易丢失该信息。”

相反，反铁磁材料在信息存储方面的操作要困难得多。然而，由于它们具有净零磁性，因此这些材料中的信息更加安全，携带起来也更快。“互电磁体具有反铁磁体的速度和弹性，但它们也具有铁磁体的重要特性，称为时间反转对称性破坏，”Dal Din 说。

这个令人费解的属性着眼于对象在时间上向前和向后移动的对称性。“例如，气体粒子四处飞舞，随机碰撞并填满空间，”Amin 说。“如果你让时间倒流，那种行为看起来没有什么不同。”

这意味着对称性是守恒的。然而，由于电子同时具有量子自旋和磁矩，因此反转时间——以及传播方向——会翻转自旋，这意味着对称性被打破。“如果你看一下这两个电子系统——一个是时间正常前进的电子系统，另一个是倒带的电子系统——它们看起来不同，所以对称性被打破了，”Amin 解释说。“这允许某些电气现象存在。”

显示互通磁性材料中磁矩如何取向的图表。（图片来源：Oliver Amin）

该团队由诺丁汉大学（University of Nottingham）物理学教授彼得·瓦德利（Peter Wadley）领导，使用一种称为光电子显微镜的技术对碲化锰的结构和磁性进行成像，碲化锰是一种以前被认为具有反铁磁性的材料。

“磁性的不同方面会根据我们选择的 X 射线的极化而被照亮，”Amin 说。圆偏振光揭示了时间反转对称性打破产生的不同磁畴，而水平或垂直偏振 X 射线使该团队能够测量整个材料的磁矩方向。通过结合这两个实验的结果，研究人员创建了互通磁性材料中不同磁畴和结构的首次图谱。

有了这个概念验证，该团队通过受控热循环技术操纵内部磁性结构，制造了一系列互通磁性器件。

“我们能够在六边形和三角形装置中形成这些奇特的漩涡纹理，”Amin 说。“这些漩涡作为潜在的信息载体，在自旋电子学中越来越受到关注，因此这是如何创建实用设备的一个很好的例子。”

该研究的作者表示，对这种新型磁学进行成像和控制的能力可能会彻底改变下一代存储设备的设计，提高运行速度，增强弹性和易用性。

“交替磁性也将有助于超导性的发展，”Dal Din 说。“长期以来，这两个区域之间的对称性一直存在一个漏洞，而这类直到现在仍然难以捉摸的磁性材料被证明是拼图中缺失的一环。”

来源：芳芳聊科学