交错磁体有望改写磁性材料未来版图

【蜂耘网 新材料】大多数人认为世界上仅有铁磁体和反铁磁体两种磁体。但近年来，有科学家指出，磁体家族或存在一些新成员，如兼具铁磁体和反铁磁体两者特性的交错磁体。

中国南方科技大学物理系教授刘奇航对科技日报记者表示：“以交错磁体为代表的新型磁体有潜力为人类研制下一代信息设备提供新选择。这类材料有望用于研制新型存储设备或磁性计算机，助推人类现代生活迈上新高度。”

交错磁体（艺术图）。 图片来源：scitechdaily

交错磁体“浮出水面”

刘奇航介绍道：“材料磁性主要源自内部电子的一种量子力学行为，这被称为自旋。在没有磁性的材料中，原子内相同轨道上的电子总是‘成双成对’，这些成对的电子自旋方向相反，各自产生的磁场相互抵消，因此材料整体上不会显现磁性。”

“然而，铁、镍、钴以及很多稀土金属等，其原子最外层有大量未成对的电子，一旦这些电子的自旋指向相同方向且排列对齐，就会产生整体磁矩，从而产生磁场。铁和镍等内部相邻电子自旋方向一致且排列整齐的磁体，被称为铁磁体。”刘奇航进一步解释道。

除用于指南针指示方向外，随着技术的发展，铁磁体的应用范围也延伸至电机、数据存储等领域。以计算机的磁性存储单元为例，铁磁体内电子的自旋可通过施加外部磁场实现翻转，从而产生不同磁态。这些磁态能被记录为“1”和“0”，成为硬盘以及磁式存储器的物理基础。

铁磁体的自旋特征也催生了自旋电子学这一新兴研究领域。与传统电子设备仅利用电子电荷不同，自旋电子学设备还能利用电子的自旋态来存储和处理信息。由于自旋电流产生的热量远低于电流，此类设备因此具有显著的节能优势。

上世纪30年代，法国物理学家路易·内尔发现了反铁磁体，并因此获得诺贝尔物理学奖。

反铁磁体内相邻电子的自旋方向相反（上下交替），产生的磁场相互抵消，因此不具备铁磁体的外部磁场，从而难以像铁磁储存介质那样实现信息的写入和读取。虽然科学家对反铁磁体开展了大量研究，不过尚未为其在日常生活中找到“用武之地”。

刘奇航表示：“自2019年起，就有多个科研团队预测，某些反铁磁体晶体结构中会呈现出铁磁体的某种性质，即相反自旋电子的能量不同，可以被区分出来。”

德国美因茨大学科学家在此基础上提出了一种新型磁体——交错磁体。

多个团队竞相研究

近年来，有多个研究团队报告了在理论上和实验中符合交错磁体特征的物质。

去年2月，瑞士保罗·谢勒研究所科学家尤拉伊·克瑞姆帕斯基及其同事在《自然》杂志刊发论文称，他们利用瑞士同步辐射光源，测量了光在碲化锰上的反射情况，从而推导出晶体内电子的能量和速度分布。结果显示，电子的图谱与交错磁体的理论模拟结果高度吻合。克瑞姆帕斯基表示，他们的这一研究提供了交错磁体存在的直接证据，且其行为与理论预测完全吻合。

值得关注的是，来自南方科技大学的刘畅、刘奇航团队与来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员乔山团队，也在二碲化锰中观测到了这种独特的自旋电子结构，相关研究论文发表于同一期《自然》杂志。

日本东京大学教授关真一郎团队去年12月在《自然·材料学》上发表论文称，他们已经证明，硫化铁是一种交错磁体，其具有铁磁体和半导体的性质，能存储数字信息并一直保存。关真一郎表示，迄今被认为是反铁磁体的物质中，约一成可能是交错磁体。

美国《科学》杂志将证明交错磁体存在的实验选为2024年十大突破之一。

新型器件呼之欲出

交错磁体究竟有何实际用途呢？科学家纷纷给出了令人振奋的答案。

深入研究交错磁体，有望催生新型磁性电子元件和高容量快速存储设备。

刘奇航解释说：“传统铁磁体存储器周围形成的磁场会相互干扰，因此这些元件必须保持安全距离。而交错磁体不产生外部磁场，可用于制造互不干扰的磁性存储器”。这种特性使元件能够更紧密地“偎依”在一起，为设备小型化开辟新路径，同时还能大幅降低响应速度，显著降低处理信息的能耗。

美因茨大学物理学家汉斯-约阿希姆·爱默思也认为，基于交错磁体制造的动态随机存储器，可利用电子的磁矩非电荷来存储数据。这不仅能显著提升存储容量，还能使信息读取变得更加便捷高效。

英国利兹大学的约瑟夫·巴克则表示，交错磁体有助研制出新型磁性计算机，其使用磁自旋而非电流进行计算，能显著降低芯片的热损耗。

刘奇航强调：“交错磁体不仅给自旋电子学注入了全新活力，更将助推人类对磁性本质的深入探索，甚至革新物理学家描述磁性的理论框架”。他认为，交错磁体只是非常规磁性家族的重要成员，但非唯一一员。今年初，刘奇航团队连续在《自然·物理》与《自然》杂志发表论文，对非常规磁性这一新兴领域进行了展望。

随着交错磁体等新型磁体的陆续“现身”，对其研究也在不断深入，一个崭新的磁学时代正拉开帷幕。

（蜂耘新材料网  责任编辑：科技蜜）