古老赤鐵礦竟成「自旋電子學」革命關鍵！瑞士團隊突破性發現

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）研究團隊近期取得重大突破，成功利用無電荷的自旋波儲存與操控數位資料，為綠色高效能運算開闢新道路。這項刊登於《自然物理》期刊的研究發現，常見的赤鐵礦（α-Fe₂O₃）展現出前所未見的磁特性，能同時支援兩種不同的磁振子模式，這項突破將可能實現資料重複寫入功能，推動超高速自旋電子裝置的發展。

早在2023年，EPFL團隊就曾利用無電荷的自旋波（磁振波）來傳輸與儲存資料，取代傳統電子流動方式。當時由工程學院奈米磁材料與磁子學實驗室負責人Dirk Grundler教授帶領的團隊，透過射頻訊號激發足夠強度的自旋波，成功反轉奈米磁體的磁化方向。這種在0與1之間切換磁狀態的技術，正是電腦記憶體與現代通訊科技的基礎運作原理。

這項技術為永續運算邁出重要一步。透過磁振子（自旋波的準粒子）編碼資料，研究人員有望解決傳統電子裝置因焦耳熱效應造成的能量損耗問題。不過當時的自旋波訊號僅能單次切換奈米磁體狀態，尚無法重置以覆寫既有資料。

如今，Grundler實驗室與中國北京航空航天大學合作，在赤鐵礦中發現了突破性的磁行為。這種富含於地殼的氧化鐵化合物，不僅比現行自旋電子材料更環保，更展現出獨特的雙磁振子模式特性。Grundler強調：「這項研究證明赤鐵礦不只是釔鐵石榴石等傳統材料的替代品，它展現的全新自旋物理特性，將為超高頻訊號處理開創可能性，對發展下一代超高速自旋電子裝置至關重要。」

這項意外發現源自北京航空航天大學於海明教授團隊觀測到赤鐵礦上鉑奈米結構產生的異常電訊號。EPFL博士生Anna Duvakina透過光散射顯微鏡分析，確認這些訊號來自兩種磁振子模式的干涉圖樣。相較於釔鐵石榴石等傳統材料僅能產生單一磁振子模式，赤鐵礦的雙模式特性意味著自旋電流可在同一裝置上實現極化方向的反覆切換，進而控制奈米磁體的磁化狀態。

Grundler指出：「人類使用赤鐵礦已有數千年歷史，但過去因其磁性太弱而難以應用。如今我們發現，這種古老材料竟超越1950年代專為微波電子學最佳化的材料。科學的美妙就在於，你能從這種隨處可見的古老材料中，找到符合當代需求的創新應用。」研究團隊下一步將嘗試在赤鐵礦裝置上整合奈米磁體，驗證其資料重複寫入的可行性。