把磁性材料當魔方“轉”一下，竟“擰”出全新磁性

　　小小一塊磁鐵，為什么能吸住鐵釘？這個看似簡單的問題背后，隱藏著電子自旋構成的復雜磁性世界。

　　人們熟悉的磁性材料大致分為兩類：一類是鐵磁體，它們像普通磁鐵一樣擁有強烈的宏觀磁性，容易操控和讀取，卻不可避免地產生雜散磁場，可能干擾周圍器件；另一類是反鐵磁體，相鄰磁矩彼此抵消，宏觀上幾乎沒有凈磁化，因而穩定、快速，卻又因過于“安靜”，很難被外界有效操控和讀取。

　　科學家一直在尋找第三種可能：有沒有一種磁性，既擁有反鐵磁體“零雜散場”的安靜，又具備類似鐵磁體那樣清晰、可操控的自旋特征？一種名為交變磁性的新型磁態正在讓這種設想走向現實。

　　中南大學物理學院低維量子器件實驗室教授劉艷平團隊，與中南大學極端服役性能精準制造全國重點實驗室、澳大利亞悉尼大學、中國科學院物理研究所等研究者合作，通過一種被形象地稱為“擰魔方”的轉角堆疊技術，在僅有兩層原子厚度的磁性材料CrPS?中，首次在實驗上證實了二維交變磁性的存在，“擰”出并驗證全新磁性。該成果近日在線發表于《自然·物理》，并被選為內封面文章。

該成果被《自然·物理》選為內封面文章。受訪者 供圖

　　磁性家族的神秘“老三”

　　從記錄著海量數據的硬盤，到悄然嵌入芯片的磁阻隨機存取存儲器，每一次磁性材料的躍遷，都推動著信息技術的代際更迭。然而，正如硬幣的兩面，傳統磁體在帶來便利的同時，也各自背負著難以逾越的天花板。

　　“要理解該研究的意義，得先從一場磁性的‘交通擁堵’說起。”劉艷平說。

　　他舉了一個通俗的例子。鐵磁體的內部電子自旋像一群整齊向右看的士兵，產生強大的宏觀磁場，氣勢磅礴卻難以掩蓋雜散場的“噪音”。這種特性讓它們易被操控和讀寫，但雜散磁場會干擾“鄰居”，且開關速度存在物理極限。

劉艷平（左）和團隊成員開展多功能共聚焦拉曼光譜測試。受訪者 供圖

　　而反鐵磁體則走向另一個極端。它的電子自旋像兩支隊伍相向而行，恰好相互抵消，宏觀上“鴉雀無聲”。這種“沉默”賦予了它極高的穩定性和超快的響應速度，但也讓它難以被外界“聽見”和“指揮”。

　　那么，是否存在一種狀態，既能像反鐵磁體一樣“靜默無聲”，又能像鐵磁體一樣“個性鮮明”？答案是交變磁性。

　　據介紹，交變磁性是科學家近年來提出的一種全新磁性類型，兼具反鐵磁體的補償性自旋排列與鐵磁體的有限自旋劈裂特征，在動量空間中表現出自旋極化的能帶結構，而宏觀上仍保持零凈磁化強度。這種獨特性質使其有望成為連接鐵磁與反鐵磁優勢的“橋梁”。

　　劉艷平說，交變磁性就像一支“紅藍分明的雙向車道”，宏觀上看車流完全抵消、實現零凈磁矩，但細看每個車道，紅色車輛和藍色車輛各行其道，在動量空間里呈現出清晰的自旋分離。

　　“交變磁性此前一直處于理論預言階段，原理是通過扭轉范德華層狀材料可調控層間對稱性從而誘導交變磁性。”劉艷平表示，這個磁性家族的“老三”充滿神秘感，“雖理論早已預言這種狀態，但實驗上始終未能捕捉到它的身影。”

　　“擰”出個全新磁性

　　那么，這個神奇的“雙面”磁態是如何被驗證的？

　　該團隊選取了一種天然的A型反鐵磁范德華材料CrPS?，其內部每一層原子都像一塊微型的鐵磁體，但相鄰層間的磁矩方向恰好相反，從而在整體上抵消。也就是說，它天生是個“反鐵磁大師”，但層與層之間卻反向堆疊、是反鐵磁體狀態，從而在宏觀上實現“磁性相消”。

　　劉艷平教授團隊采用“撕裂-堆疊”技術，將兩層CrPS?單晶以90度正交方式堆疊，構建CrPS?/CrPS?同質結。當兩層以90度扭轉堆疊時，上下層的磁鏈相互垂直，系統形成由旋轉對稱性聯系的相反自旋子晶格。這正是交變磁性所需的對稱性條件。

　　“轉角堆疊就像擰魔方。”劉艷平說，“魔方每一面原本顏色固定，但旋轉一個面時，整面顏色都改變。原本相互抵消的磁鏈，也就變成了兩把垂直交叉的‘尺子’。晶體對稱性也被重新編排，電子的自旋‘交通規則’也隨之改寫。”

　　在這個全新的“轉角世界”里，上下兩層中原本“沉默”的自旋鏈條被賦予新秩序，它們依然在宏觀上相互補償，保持著總磁矩為零的“低調”，但在微觀的動量空間里，自旋向上和自向向下的電子能帶開始“分道揚鑣”，呈現出截然不同的色散關系。

　　如何證明這個微米級“魔方”里確實藏著交變磁性？團隊通過磁光光譜測量，在1.8開爾文（約-271.35攝氏度）的極低溫和9特斯拉（T）的強磁場下，測量樣品對圓偏振光的響應。

　　他們發現，正交扭轉樣品的圓偏振度隨磁場的變化趨勢，竟與鐵磁體如出一轍，而非本征反鐵磁CrPS?的行為。更關鍵的是，在9T磁場下，該樣品的光致發光譜出現了約2毫電子伏特的塞曼劈裂，對應有效g因子為-3.4。而在相同條件下鐵磁和反鐵磁CrPS?參考樣品中均未觀察到可分辨的塞曼劈裂。“這表明正交扭轉結構中存在一種區別于傳統鐵磁和反鐵磁的全新磁基態。”劉艷平表示。

　　“塞曼劈裂就像是磁態的‘指紋’。”論文共同第一作者、中南大學博士研究生陳俊熒說，“傳統鐵磁和反鐵磁的CrPS?在這個‘指紋’測試中都是‘白板’，唯獨我們的90度扭轉樣品清晰地顯示出一對分裂的峰。這說明它的磁基態絕非尋常。”

　　第一性原理計算進一步揭示交變磁性的微觀起源。在90度扭轉結構中，自旋向上態主要局域在頂層，自旋向下態主要局域在底層，形成反鐵磁構型；自旋向上態沿b軸方向，與自旋向下態正交，兩者通過90度旋轉對稱性相聯系。“這種實空間補償、動量空間劈裂的雙重性格，正是交變磁性的靈魂。”劉艷平說。

　　有望為存儲器件提供新材料

　　除了電子態的劈裂，團隊還在晶格振動中發現了交變磁性的“暗語”。拉曼光譜顯示，原本單一的A6和B6聲子模式在90度扭轉后分裂成雙峰，且兩峰分別對應頂層和底層的獨立振動。頂層峰藍移，底層峰紅移，一升一降，恰好揭示了層間耦合的對稱性破缺。

　　這意味著，交變磁性不僅改變了電子的行為，也重塑了晶格動力學。“未來或許能通過拉曼光譜實時‘聽’出磁序的變化，為非接觸式磁探測提供新思路。”陳俊熒說。

　　據介紹，交變磁性的實驗確認，為后摩爾時代的信息器件打開一扇窗。由于它不產生雜散磁場，可密集集成而無需擔心串擾；又因其動量空間的自旋劈裂，可在無凈磁矩情況下實現自旋閥、磁隧道結等功能，有望極大降低功耗、提升速度。

　　“目前我們只在幾微米的單點上驗證了這種狀態。要走向器件，必須解決大面積制備、室溫穩定、電學調控等一系列工程問題。”劉艷平表示，團隊建立的實驗范式可推廣至其他層狀反鐵磁體系。“我們將結合動量分辨光譜學、自旋輸運測量、超快光學探測和電學調控手段，進一步揭示扭轉誘導交變磁性的微觀動力學機制。從應用前景看，交變磁性兼具零雜散場與有限自旋極化的特性，有望為低功耗、高速自旋電子學和磁存儲器件提供新的材料選擇。”

　　《自然·物理》審稿人稱，該成果首次在實驗上證實二維范德華體系中交變磁性的存在，將交變磁性的研究從三維體系拓展至二維層面。研究為二維范德華材料中的交變磁性提供了令人信服的實驗證據，是自旋電子學領域的一個重要里程碑。

　　研究得到了國家自然科學基金面上項目、國家量子科學與技術創新計劃、中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室自主研究課題、澳大利亞ARCDiscovery項目等項目的資助。

　　相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03440-y