科學家發現新型磁性，或為超導研究的「關鍵缺失環節」

科學家發現了一種難以捉摸的第三種磁性形式，這或許能幫助解決一個有關超導體的長期難題。研究人員首次獲得了一種名為「交替磁性」（altermagnetism）的難捉摸的第三類磁性的確鑿證據。他們的研究成果於12月11日發表在《自然》雜誌上，這可能會徹底改變新型高速磁性儲存裝置的設計，並為研發更好的超導材料提供缺失的關鍵一環。

研究作者、英國諾丁漢大學的博士後研究員奧利弗·阿明（Oliver Amin）向《生活科學》表示：「此前，我們已熟知兩種磁性型別。鐵磁性中，磁矩（你可以把它想象成原子尺度上的小羅盤指標）都指向同一方向。而反鐵磁性中，相鄰的磁矩指向相反方向——你可以把它想象成一個黑白交替的棋盤。」

電流中的電子自旋必須指向兩個方向之一，並可以與這些磁矩同向或反向排列，以儲存或傳輸資訊，這構成了磁性儲存裝置的基礎。交替磁性材料於2022年首次被理論提出，其結構介於兩者之間。每個單獨的磁矩都與其鄰居指向相反方向，就像在反鐵磁性材料中一樣。但每個單元相對於相鄰的磁性原子都有輕微扭曲，從而產生了一些類似鐵磁性的特性。

因此，交替磁體結合了鐵磁性和反鐵磁性材料的最佳特性。同樣來自諾丁漢大學的博士生、研究合著者阿爾弗雷德·達爾·丁（Alfred Dal Din）向《生活科學》表示：「鐵磁體的好處在於，我們可以輕鬆地利用這些向上或向下的磁疇來讀寫儲存資訊。但由於這些材料具有淨磁性，用磁鐵在上面一擦，資訊就很容易丟失。」

相反，反鐵磁性材料用於資訊儲存時更難以操控。然而，由於它們的淨磁為零，這些材料中的資訊要安全得多，傳輸速度也更快。達爾·丁說：「交替磁體具有反鐵磁體的速度和穩定性，但它們也具有鐵磁體的一個重要特性，即時間反演對稱性破缺。」

這個令人費解的特性考察的是物體在時間上前進和後退的對稱性。阿明說：「例如，氣體粒子到處飛舞，隨機碰撞並充滿空間。如果你倒轉時間，這種行為看起來並無不同。」 這意味著對稱性得以保持。然而，由於電子同時具有量子自旋和磁矩，倒轉時間——進而改變運動方向——會使自旋翻轉，這就意味著對稱性被打破。阿明解釋道：「如果你觀察這兩個電子系統——一個是時間正常前進，另一個是倒轉——它們看起來不同，所以對稱性被打破了。這使得某些電現象得以存在。」

由諾丁漢大學物理學教授彼得·瓦德利（Peter Wadley）領導的研究團隊，使用了一種稱為光電子發射顯微鏡的技術，對碲化錳的結構和磁性進行了成像。碲化錳曾被認為是反鐵磁性材料。阿明說：「根據我們選擇的X射線的偏振方向，磁性的不同方面會被揭示出來。圓偏振光揭示了由時間反演對稱性破缺產生的不同磁疇，而水平或垂直偏振的X射線使研究團隊能夠測量整個材料中磁矩的方向。透過結合兩個實驗的結果，研究人員繪製出了第一張交替磁性材料內不同磁疇和結構的圖譜。」

有了這個概念驗證，研究團隊透過可控的熱迴圈技術操縱內部磁結構，製造了一系列交替磁性裝置。阿明說：「我們能夠在六角形和三角形裝置中形成這些奇特的渦旋紋理。這些渦旋在自旋電子學中作為潛在的資訊載體受到越來越多的關注，所以這是一個如何製造實用裝置的很好的首例。」

研究作者表示，對這種新型磁性進行成像和控制的能力，可能會徹底改變下一代儲存裝置的設計，提高執行速度，增強穩定性，並提升易用性。達爾·丁說：「交替磁性也將有助於超導性的研究。長期以來，這兩個領域之間的對稱性存在一個空白，而直到現在仍難以捉摸的這類磁性材料，結果證明是這個難題中缺失的環節。」

編輯註：本報道於美國東部時間1月24日星期五上午10:05更新，用一張顯示正確電子自旋取向的圖表替換了一張顯示交替磁性的圖表。