科學家證實一種新磁性的存在

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2月14日在線發表于《自然》的一項新研究顯示，一種新的磁性首次被測量到。產生這種磁性的交變磁體包含了現有不同類別磁體的混合特性，可用于制造高容量和快速存儲設備或新型磁性計算機。

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在交替磁體中，相鄰的原子被旋轉，它們的磁自旋被翻轉。圖片來源：LIBOR ?MEJKAL & ANNA BIRK HELLENES

直到20世紀，人們還認為只有一種永磁體，即鐵磁體，其效應可以在冰箱磁鐵或指南針等外部磁場相對較強的物體上看到。這些磁場是由磁鐵的電子沿一個方向排列的磁自旋引起的。

但是，20世紀30年代，法國物理學家Louis Néel發現了另一種磁性——反鐵磁性，電子的自旋交替上下。盡管反鐵磁體缺乏鐵磁體的外部磁場，但由于自旋的交替，它們確實顯示出有趣的內部磁性。

2019年，研究人員預測在某些反鐵磁體的晶體結構中有一種在沒有外部磁場的情況下運動的電流，這種現象無法用傳統的交替自旋理論解釋，被稱為反常霍爾效應。

當從自旋的角度看晶體時，可能是第三種永久磁性起了作用，這就是所謂的交變磁性。交變磁體看起來像反鐵磁體，但從任何角度旋轉時，自旋看起來都是一樣的。這可以解釋霍爾效應，但沒有人看到它的電子特征，所以科學家不確定這是否一定是一種新的磁性。

現在，瑞士保羅謝勒研究所的Juraj Krempsky和同事通過測量碲化錳晶體的電子結構，證實了交變磁體的存在，而碲化錳以前被認為是反鐵磁性的。

他們測量了光如何從碲化錳上反射，以找到晶體內電子的能量和速度。在繪制出這些電子之后，他們發現結果幾乎完全符合對一種交變磁性材料的模擬預測。

電子似乎被分成兩組，這使得它們在晶體內部有更多的運動，這也是不尋常的交變磁性的來源。Krempasky說:“研究提供了交變磁體的直接證據，并且它們的行為完全符合理論預測。”

這種電子分組似乎來自碲原子，它在晶體結構中是無磁性的，它將錳的磁性電荷分離到自己的平面上，并允許不尋常的旋轉對稱。

“這些材料確實存在，這是一個很好的證明。”英國約克大學的Richard Evans說，交變磁體中的電子能比反鐵磁體中的電子更自由地移動，此外，這種新型磁體也不像鐵磁體那樣有外部磁場，所以它們可被用于制造互不干擾的磁性設備。

這種特性可用于增加計算機硬盤的存儲容量，因為商業硬盤設備中包含的鐵磁材料包裝得非常緊密，以至于外部磁場受到干擾，如果使用交變磁體，則可以包裝得更密集。

英國利茲大學的Joseph Barker說，使用這種磁體甚至可以制造出自旋電子計算機，利用磁自旋而不是電流來進行測量和計算。“該研究可能給我們制造自旋電子器件帶來更多希望。”Barker說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06907-7