物理学家首次观察到新型磁性

摘要：麻省理工学院的研究人员发现了一种新型磁性，称为“p波磁性”，这可能推动更高效的自旋电子学存储芯片的发展。该磁性结合了铁磁性和反铁磁性特征，展现出独特的螺旋自旋配置，允许通过微小电场实现自旋切换。这种自旋切换能力为利用电子自旋而非电荷存储数据提供了基础，未来可能

麻省理工学院的研究人员发现了一种新型磁性，称为“p波磁性”，这可能推动更高效的自旋电子学存储芯片的发展。该磁性结合了铁磁性和反铁磁性特征，展现出独特的螺旋自旋配置，允许通过微小电场实现自旋切换。这种自旋切换能力为利用电子自旋而非电荷存储数据提供了基础，未来可能显著提高数据存储容量，同时降低能耗。研究团队在镍碘化物（NiI₂）中合成了这种新磁性，证明电子自旋可以通过施加电场沿特定路径切换，展现出潜在的高效性能。尽管p波磁性目前仅在超冷温度下观察到，研究人员正致力于寻找在室温下表现出类似特性的材料，以便实际应用于自旋电子设备。

本文已根据Science X的编辑流程和政策进行了审查。编辑们在确保内容可信度的同时，强调了以下特征：镍碘化物（NiI₂）三角晶格上的螺旋磁序（浅蓝色箭头）（黑色球体代表镍原子）使得电可调的（白色锯齿线）p波磁性成为可能。自旋向上（橙色点）和自旋向下（蓝色点）电子沿相反方向传播，并在螺旋磁序的手性切换（左与右）时反转其路径。来源：麻省理工学院。

麻省理工学院（MIT）的物理学家们揭示了一种突破性的磁性形式，这可能会导致更快、更密集、能效更高的“自旋电子学”存储芯片的开发。这种新的磁态结合了两种已知的磁性形式：铁磁性（在日常冰箱磁铁和指南针针头中可见）和反铁磁性（在微观尺度上存在磁性特性，但不表现出宏观磁化）。

MIT团队引入了一种新的磁性类型，称为“p波磁性”。在传统铁磁体中，电子均匀地排列其自旋，产生一个磁场，从而赋予磁铁固有的磁性。相反，在反铁磁体中，相邻电子的自旋呈反平行排列，导致磁效应的相互抵消。研究人员在他们合成的二维晶体材料镍碘化物（NiI₂）中发现了这种p波磁性。在NiI₂中，电子自旋显示出类似于铁磁体的优先取向，而它们独特的螺旋配置则彼此映射，类似于左手与右手的关系。

研究人员发现，这种螺旋自旋配置允许“自旋切换”。通过在螺旋自旋的方向上施加小电场，他们可以将左手螺旋的自旋翻转为右手螺旋，反之亦然。这种切换电子自旋的能力是“自旋电子学”的基础，这是一种提议的替代传统电子学的方法，利用电子自旋而不是电子电荷进行数据存储。这种方法可能使设备能够存储显著更多的数据，同时消耗显著更少的电力。

“我们展示了这种新形式的磁性可以通过电来操纵，”麻省理工学院材料研究实验室的研究科学家Qian Song解释道。“这一突破为新一类超快、紧凑、能效高且非易失性的磁存储设备铺平了道路。”Song和他的同事们于2025年5月28日在《自然》杂志上发表了他们的发现，合著者包括Connor Occhialini、Batyr Ilyas、Emre Ergeçen、Nuh Gedik和Riccardo Comin，另有来自伊利诺伊大学香槟分校的Rafael Fernandes的贡献。

这一发现建立在Comin团队2022年的先前工作基础上，他们研究了镍碘化物的磁性特性。在早期研究中，团队注意到镍原子的自旋在材料的晶格中呈螺旋排列，并能够以两种不同的方向螺旋。然而，直到后来，经过与合作者Rafael Fernandes的讨论后，才意识到邻近电子的自旋精确切换的潜力，他对新“p波”磁体的概念产生了兴趣。

在他们最新的实验中，团队合成了镍碘化物的单晶薄片，并利用圆偏振光测试螺旋自旋排列是否影响旅行电子的自旋。他们确认电子自旋的方向与用于激发的光的手性相关，这是p波磁性的标志。此外，他们证明施加电场可以沿特定路径切换电子的自旋，从而产生同样自旋的电子电流。这为自旋电子设备的潜在效率提供了一瞥，可能会彻底改变数据处理和存储的方式。

“我们只需要一个小电场来控制这种磁性切换，”Song补充道。“p波磁体可以节省五个数量级的能量，这非常巨大。”虽然团队仅在约60开尔文的超冷温度下观察到p波磁性，但他们现在专注于识别在室温下表现出这些特性的材料，这对自旋电子设备的实际应用至关重要。