科技日報記者 劉霞

大多數人認為世界上僅有鐵磁體和反鐵磁體兩種磁體。但近年來，有科學家指出，磁體家族或存在一些新成員，如兼具鐵磁體和反鐵磁體兩者特性的交錯磁體。

中國南方科技大學物理系教授劉奇航對科技日報記者表示：“以交錯磁體為代表的新型磁體有潛力為人類研制下一代信息設備提供新選擇。這類材料有望用于研制新型存儲設備或磁性計算機，助推人類現代生活邁上新高度。”

交錯磁體“浮出水面”

劉奇航介紹道：“材料磁性主要源自內部電子的一種量子力學行為，這被稱為自旋。在沒有磁性的材料中，原子內相同軌道上的電子總是‘成雙成對’，這些成對的電子自旋方向相反，各自產生的磁場相互抵消，因此材料整體上不會顯現磁性。”

“然而，鐵、鎳、鈷以及很多稀土金屬等，其原子最外層有大量未成對的電子，一旦這些電子的自旋指向相同方向且排列對齊，就會產生整體磁矩，從而產生磁場。鐵和鎳等內部相鄰電子自旋方向一致且排列整齊的磁體，被稱為鐵磁體。”劉奇航進一步解釋道。

除用于指南針指示方向外，隨著技術的發展，鐵磁體的應用范圍也延伸至電機、數據存儲等領域。以計算機的磁性存儲單元為例，鐵磁體內電子的自旋可通過施加外部磁場實現翻轉，從而產生不同磁態。這些磁態能被記錄為“1”和“0”，成為硬盤以及磁式存儲器的物理基礎。

鐵磁體的自旋特征也催生了自旋電子學這一新興研究領域。與傳統電子設備僅利用電子電荷不同，自旋電子學設備還能利用電子的自旋態來存儲和處理信息。由于自旋電流產生的熱量遠低于電流，此類設備因此具有顯著的節能優勢。

上世紀30年代，法國物理學家路易·內爾發現了反鐵磁體，并因此獲得諾貝爾物理學獎。

反鐵磁體內相鄰電子的自旋方向相反（上下交替），產生的磁場相互抵消，因此不具備鐵磁體的外部磁場，從而難以像鐵磁儲存介質那樣實現信息的寫入和讀取。雖然科學家對反鐵磁體開展了大量研究，不過尚未為其在日常生活中找到“用武之地”。

劉奇航表示：“自2019年起，就有多個科研團隊預測，某些反鐵磁體晶體結構中會呈現出鐵磁體的某種性質，即相反自旋電子的能量不同，可以被區分出來。”

德國美因茨大學科學家在此基礎上提出了一種新型磁體——交錯磁體。

多個團隊競相研究

近年來，有多個研究團隊報告了在理論上和實驗中符合交錯磁體特征的物質。

去年2月，瑞士保羅·謝勒研究所科學家尤拉伊·克瑞姆帕斯基及其同事在《自然》雜志刊發論文稱，他們利用瑞士同步輻射光源，測量了光在碲化錳上的反射情況，從而推導出晶體內電子的能量和速度分布。結果顯示，電子的圖譜與交錯磁體的理論模擬結果高度吻合。克瑞姆帕斯基表示，他們的這一研究提供了交錯磁體存在的直接證據，且其行為與理論預測完全吻合。

值得關注的是，來自南方科技大學的劉暢、劉奇航團隊與來自中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員喬山團隊，也在二碲化錳中觀測到了這種獨特的自旋電子結構，相關研究論文發表于同一期《自然》雜志。

日本東京大學教授關真一郎團隊去年12月在《自然·材料學》上發表論文稱，他們已經證明，硫化鐵是一種交錯磁體，其具有鐵磁體和半導體的性質，能存儲數字信息并一直保存。關真一郎表示，迄今被認為是反鐵磁體的物質中，約一成可能是交錯磁體。

美國《科學》雜志將證明交錯磁體存在的實驗選為2024年十大突破之一。

新型器件呼之欲出

交錯磁體究竟有何實際用途呢？科學家紛紛給出了令人振奮的答案。

深入研究交錯磁體，有望催生新型磁性電子元件和高容量快速存儲設備。

劉奇航解釋說：“傳統鐵磁體存儲器周圍形成的磁場會相互干擾，因此這些元件必須保持安全距離。而交錯磁體不產生外部磁場，可用于制造互不干擾的磁性存儲器”。這種特性使元件能夠更緊密地“偎依”在一起，為設備小型化開辟新路徑，同時還能大幅降低響應速度，顯著降低處理信息的能耗。

美因茨大學物理學家漢斯-約阿希姆·愛默思也認為，基于交錯磁體制造的動態隨機存儲器，可利用電子的磁矩非電荷來存儲數據。這不僅能顯著提升存儲容量，還能使信息讀取變得更加便捷高效。

英國利茲大學的約瑟夫·巴克則表示，交錯磁體有助研制出新型磁性計算機，其使用磁自旋而非電流進行計算，能顯著降低芯片的熱損耗。

劉奇航強調：“交錯磁體不僅給自旋電子學注入了全新活力，更將助推人類對磁性本質的深入探索，甚至革新物理學家描述磁性的理論框架”。他認為，交錯磁體只是非常規磁性家族的重要成員，但非唯一一員。今年初，劉奇航團隊連續在《自然·物理》與《自然》雜志發表論文，對非常規磁性這一新興領域進行了展望。

隨著交錯磁體等新型磁體的陸續“現身”，對其研究也在不斷深入，一個嶄新的磁學時代正拉開帷幕。