李兆滢

磁，是一个我们在生活中非常熟悉的概念。根据磁性的不同排布方式，理论上预计有1421种磁性，实验上也已经发现了许多种。在今年的2月14日，一项发表于《自然》杂志的新研究表明，科学家首次通过实验测量，证实了存在一种全新的磁性形态——交错磁性（altermagnetism）。

想要理解什么是交错磁性，让我们从最熟悉的铁磁性和反铁磁性说起。

铁磁性和反铁磁性

我们在日常生活中接触的那些磁铁，比如冰箱贴和门吸等，都属于铁磁体，它们的磁性被称为铁磁性。材料的磁性主要来自于其内部电子的行为。从微观上来看，每个电子就像是一个小条形磁铁。电子的磁矩方向与它的自旋（即电子的内禀磁矩）直接相关。

一个原子是否具有磁矩，与电子的分布方式密切相关。如果原子中相同轨道上的电子是成对的，量子力学原则会让它们的自旋方向相反，所以各自磁矩产生的磁场可以相互抵消。这就导致原子本身不具备净磁矩，所以这些原子组成的材料在整体上也不会表现出铁磁性。但是，有一些元素的原子，比如铁、镍、钴、锰及大部分稀土元素等，它们的原子最外层有许多未成对的电子，一旦这些电子们的自旋朝相同的方向排列对齐，就会产生一个弱磁矩，也就是原子净磁矩不为零。此外，电子在原子内部的轨道运动也会产生磁矩，不过一般比自旋磁矩要小得多，原子整体的磁矩是自旋磁矩与轨道磁矩的耦合结果。在特定温度环境下，磁性原子的磁矩会在材料内部形成一个个小块的磁畴，相当于更大尺度的磁铁，这些磁畴如果排列方向也保持一致，就会导致材料在整体上有一个相对较大的磁场，从而使材料表现出铁磁性。

铁磁体有许多实际的技术应用，比如可以被用作计算机磁性存储单元，因为铁磁体内的电子自旋可以通过施加额外的磁场被翻转，从而产生不同的有磁性态和无磁性态，记录为“1”和“0”。铁磁体所具有的这种强自旋相关性也催生了被称为自旋电子学的研究领域。不同于只考虑电子电荷的传统电子学研究，自旋电子学器件也利用电子的自旋态来携带更多信息。

在相当漫长的时间里，人们都把有磁性等同于铁磁性。但到了20世纪30年代，物理学家Louis Néel等人发现了另一种磁性，即反铁磁性。

在反铁磁体中，原子的磁矩并不都指向一个方向，而是交替的，最近邻两个原子的磁矩大小相等、方向相反。因此在宏观层面，反铁磁体的内部磁矩产生的磁场会相互抵消，没有明显的宏观磁场效应，所以用这种材料制成的冰箱贴是无法粘在冰箱上的。科学家们对反铁磁体在自旋电子学领域的应用也进行了大量的研究，不过目前还没有很多实际应用。

交错磁体

几年前，物理学家在寻找反铁磁材料时，偶然发现了一种奇怪的化合物——二氧化钌。二氧化钌没有净磁矩，这一点和自旋都是交替排列的反铁磁体几乎一样；但与此同时，当有电流时，这种材料会表现得像铁磁体。科学家们通过实验证实了二氧化钌的这种特性。

在2021年，科学家们提出了一个想法，可以获得一种介于铁磁体和反铁磁体之间的材料。简单来说，他们的解决方案是，与其想象这些原子的自旋磁矩与原子本身相连，倒不如设想自旋磁矩的旋转可以独立于原子本身，这样一来就可以在这种仍然保持相同的磁性结构的材料上进行操作。在这样的材料中，自旋磁矩仍然可以是交替排列的，但是由于原子本身的轨道与自旋的耦合很弱，原子本身可以认为能进一步旋转。我们可以举一个简单的例子来说明这种情况：假如你把一个铁磁体中的每个相隔一个的原子旋转90度，再把这些原子的自旋磁矩翻转180度，结果就会变成——如果从自旋磁矩来看，它像一个反铁磁体，但如果从电子在材料内部运动方式来看，它们更倾向于沿着相同“取向”的原子方向来运动，所以它其实看起来更像一个铁磁体。

不仅仅是二氧化钌，实际上有一整类材料可以表现出这种磁性，可以将其称为交错磁性。

大多数磁性材料的性质取决于每个原子的磁场（以其自旋表示）是指向上（粉色）还是指向下（黄色）。在交错磁体中，原子与电子的自旋独立旋转，使它们既具有铁磁体又具有反铁磁体的性质。

2022年，理论学家从各种绝缘体、半导体和金属材料中，预测了200多种有可能是交错磁体的候选材料。在这些材料中，有许多在过去都是已知的，并被广泛研究过，但没有人注意到它们的交错磁性本质。由于交错磁体极具应用潜力，所以研究人员也开始了搜寻工作。

碲化锰

在最近的研究中，研究人员关注到了一种简单的晶体——碲化锰。碲化锰是一种双元素材料，一直被认为是一种典型的反铁磁体，因为其相邻锰原子的磁矩都指向相反的方向，因此不会在材料周围产生外部磁场。

在一个光电发射实验中，他们根据理论预测，来操控“照射”在碲化锰晶体上的“光”的偏振方向。他们基于同步辐射装置的角分辨光电子能谱仪测量了材料的能带结构，进一步了解晶体中的电子能量和动量分布特性。然后，他们发现尽管没有外部磁场，碲化锰中的电子态仍然表现出强烈的自旋劈裂，而且这种自旋劈裂完全符合根据量子力学计算所预测的交错磁性的结果。

也就是说，新研究证明了碲化锰既不是典型的反铁磁体，也不是典型的铁磁体，而是属于自旋磁矩和原子取向不同的交错磁体。

或将引领一场技术改革

交错磁体的发现对自旋电子学有着重大意义。这个领域正在发展，最近出现了其他几项研究，证实了交错磁体的各种其他特性。因此，交错磁性的发现或将只是一个令人兴奋的磁学新时代的开始。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06907-7

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称：李兆滢

审核：罗会仟

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来源: 星空计划

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