近90年磁性“二分法”被打破：第三种磁性获实验确认

近90年来，物理学家一直将磁性材料分为两大类：铁磁体和反铁磁体。如今，科学家已确认还存在第三种类型，揭示出一种此前未被认识到的磁行为形式，这可能为计算和电子学带来重大进展。

这一突破来自美国能源部SLAC国家加速器实验室领导的研究团队。在发表于《科学》杂志的一项研究中，研究人员提出了有力的实验证据，证明交错磁性（altermagnetism）的存在。这是一种独特的磁相，结合了两种传统公认磁性的重要特征。

“在过去几年里，科学家观察到了无法完全纳入铁磁性—反铁磁性二分法的现象，”第一作者、SLAC与斯坦福材料与能源科学研究所副研究员丹尼尔·约斯特解释说。“研究人员一直在积累证据，表明存在第三种磁性，它连接了这两类的性质。我们相信，我们的结果为这第三种相——交错磁性——真实存在提供了坚实的实验确认。”

团队聚焦于碲化锰（MnTe），这种材料长期以来被归类为反铁磁体。在先前研究的基础上，科学家找到了该材料磁结构中一种独特不对称性——手性——的直接证据。这种性质类似于螺旋楼梯或螺丝沿特定方向扭转的方式，是交错磁性的关键标志。

除了对基础物理学的重要意义外，这一发现还可能帮助研究人员开发出适合未来技术的磁性材料，包括先进存储系统、量子器件以及更节能的数据中心。

理解两种传统磁性

磁性与日常经验密切相关，无论是吸住照片的冰箱贴，还是与地球磁场对齐的指南针。但这些效应背后的物理远比看上去复杂。

在原子层面，磁性与电子的一种量子性质——自旋——有关。虽然自旋并不是字面意义上电子像小球一样旋转，但它在某些方面的表现仿佛电子具有自己的角动量。科学家通常将两种可能的自旋取向描述为“上”和“下”。

当这些自旋组织成特定模式时，材料就能表现出磁性。然而，这并不一定意味着它会产生外部可探测的磁场。

在铁磁材料中，电子自旋沿同一方向排列（上—上—上或下—下—下）。它们的综合效应产生了普通磁体那种熟悉的磁场。人类使用具有这种行为方式的材料已有数千年。

第二类磁性于1933年被确认，其工作机制不同。在反铁磁体中，相邻电子自旋指向相反方向（上—下—上—下）。由于磁贡献彼此相反，它们相互抵消，不留下整体磁化。

第三种磁性挑战旧规则

近九十年来，这两类磁性为理解材料中磁序如何产生提供了基本框架。然而，近年来的实验观察开始揭示出两类磁性都无法完全解释的行为。

一些材料表现出交替的电子自旋且没有整体磁化，就像反铁磁体一样。但它们也能支持有用的自旋流，而这一性质通常与铁磁行为相关。自旋流使信息能够通过电子的自旋属性来传输，而不必完全依赖其电荷。

这种不寻常的组合表明，科学家面对的是某种根本不同的东西。2022年，研究人员为属于这一拟议第三类磁性的材料引入了“交错磁体”（altermagnets）这一术语。

关键差异在于材料内部原子的排列方式。交错磁体具有交替的自旋取向（上—下—上—下），但围绕相反排列自旋的晶体结构彼此相对旋转。

这种旋转打破了常规反铁磁体中所存在的一种对称性。尽管这一区别很细微，但它能显著改变电子的行为，使交错磁体能够结合曾被认为不相容的性质。

科学家找到交错磁性缺失的证据

尽管支持交错磁性的实验证据不断积累，研究人员仍需要一种决定性方法来证明它代表一种真正不同的磁相。

“到2024年，已有一些因素强烈支持交错磁性是真实存在的，”约斯特说，“但拼图仍缺少一块。”

缺失的证据涉及手性，这种性质有时被描述为“左右手性”。当一个物体的镜像无法与原物完全重合时，它就是手性的。人的双手就是一个简单例子：你的左手和右手互为镜像，但左手无法合适地戴进右手手套。

在交错磁体中，原子和电子自旋的不寻常排列可以在材料的电子和磁结构中产生这种手性。传统反铁磁体则不具备相同特征的手性信号。

检测出这种差异，将提供一种有力方法，把真正的交错磁体与仅仅相似的材料区分开来。

研究人员选择碲化锰作为测试材料。几十年来，科学家一直认为它是普通反铁磁体，但更近期的研究提出了它属于新提出类别的可能性。

强X射线揭示隐藏的磁信号

为了研究这种材料的不寻常性质，团队在法国欧洲同步辐射装置（ESRF）进行了实验。该装置的ID32光束线可产生精确控制的偏振X射线，使科学家能够检查原本极难探测的细微磁结构。

研究人员使用了圆偏振X射线，其电场在光传播时沿左旋或右旋方向旋转。通过测量材料如何散射这两种光，他们可以寻找手性的证据。

“手性材料散射左旋偏振X射线束的方式与散射右旋光束不同，”约斯特解释说。“非手性材料则会以相同方式散射每一种光束。”

实验揭示了碲化锰与两种X射线偏振态相互作用方式的明显差异。这种独特的手性响应正是交错磁性所预期的信号，而常规反铁磁体中不会出现这种信号。

“这一手性信号为我们提供了坚实的实验依据，说明交错磁性自成一类，”约斯特说。

研究人员最初于2024年进行了这项实验。他们在2025年初再次回到那里，重复测量，成功复现了结果，并强化了这种新磁相的证据。

“这项技术帮助我们确认，碲化锰确实表现出交错磁性，”欧洲同步辐射装置博士后科学家、共同作者雷切尔·尼克尔说。她帮助设计并在ID32光束线上开展了实验。“交错磁性几年前才被提出，而确认这些模型的快速进展令人难以置信。”

为什么交错磁性可能改变未来计算机

这一发现可能对自旋电子学产生重要影响。自旋电子学是一个不断发展的领域，试图利用电子自旋开发能力更强的电子器件。

传统电子学主要通过控制电子电荷来存储和处理信息。自旋电子学则通过利用电子自旋，为处理信息增加了另一种方式。

这种额外能力可能使器件运行更快、更有效抵抗干扰，并大幅降低耗电。这类改进在计算机存储器、大型数据中心以及其他需要海量信息处理的技术中尤其有价值。

然而，两种传统磁性各自带来不同障碍，限制了自旋电子系统的发展。

“铁磁体太容易受磁场影响，”约斯特解释说。“如果你口袋里有一块永磁体，走过一个用铁磁体建造的自旋电子器件，你可能就会开始翻转比特，扰乱那里存储的信息。反铁磁体解决了这个问题，但它们实际上几乎不可见——所以你无法轻松读取其中存储的数据，也无法用它们驱动高效的自旋流。”

交错磁体提供了一种可能很有价值的替代方案。像反铁磁体一样，它们相反的自旋不产生整体磁化，有助于保护其免受不需要的磁干扰。与此同时，它们不寻常的电子结构使其能够产生可用于读取信息的自旋极化电流。

“交错磁体兼具两者优点，”约斯特说。“它们的净磁化为零，因此稳定，但它们仍能产生轻松提取信息所需的自旋极化电流。这为你提供了额外的自由度。”

量子技术与电子学的新前沿

确认交错磁性为科学家提供了一类新材料，可供研究和潜在工程化用于技术应用。通过将磁稳定性与操控自旋信息的能力结合起来，这些材料可能有助于克服阻碍传统自旋电子器件的挑战。

下一步将是学习如何利用光和电等外部影响控制交错磁态。研究人员希望，掌握这种控制将使其能够设计出利用这些不寻常磁性质的实用器件。

尽管在这些材料得到广泛应用之前仍需大量开发，但这些发现为量子技术、计算机存储器以及更高效数据中心的未来工作奠定了更强的实验基础。

这项研究部分由美国能源部科学办公室资助。

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