李兆滢

磁，是一个大家在日常很熟知的定义。依据磁性的不同排布方法，理论上预计有1421种磁性，实验上也已经发现了很多种。在今年的2月14日，一项发表于《自然》杂志的新研究表明，科学家初次通过实验测量，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，让大家从最熟知的铁磁性和反铁磁性说起。

铁磁性和反铁磁性

大家在日常接触的那些磁铁，譬如冰箱贴和门吸等，都是铁磁体，它们的磁性被叫做铁磁性。材料的磁性主要源于其内部电子的行为。从微观上来看，每一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）直接有关。

一个原子是不是具备磁矩，与电子的分布方法密切有关。假如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。这就致使原子本身不拥有净磁矩，所以这类原子组成的材料在整体上也不会表现出铁磁性。但，有一些元素的原子，譬如铁、镍、钴、锰及大多数稀土元素等，它们的原子最外层有很多未成对的电子，一旦这类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。除此之外，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，等于更大尺度的磁铁，这类磁畴假如排列方向也维持一致，就会致使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。

铁磁体有很多实质的技术应用，譬如可以被用作计算机磁性存储单元，由于铁磁体内的电子自旋可以通过施加额外的磁场被翻转，从而产生不一样的有磁性态和无磁性态，记录为“1”和“0”。铁磁体所具备的这种强自旋有关性也催生了被叫做自旋电子学的研究范围。不同于只考虑电子电荷的传统电子学研究，自旋电子学器件也借助电子的自旋态来携带更多信息。

在相当漫长的时间里，大家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，近期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，无明显的宏观磁场效应，所以用这种材料制成的冰箱贴是没办法粘在冰箱上的。科学家们对反铁磁体在自旋电子学范围的应用也进行了很多的研究，不过现在还没不少实质应用。

交错磁体

几年前，物理学家在探寻反铁磁材料时，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质。

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。简单来讲，他们的解决方法是，与其想象这类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，如此一来就能在这种仍然维持相同的磁性结构的材料上进行操作。在这种材料中，自旋磁矩仍然可以是交替排列的，但因为原子本身的轨道与自旋的耦合非常弱，原子本身可以觉得能进一步旋转。大家可以举一个简单的例子来讲明这样的情况：倘若你把一个铁磁体中的每一个相隔一个的原子旋转90度，再把这类原子的自旋磁矩翻转180度，结果就会变成——假如从自旋磁矩来看，它像一个反铁磁体，但假如从电子在材料内部运动方法来看，它们更倾向于沿着相同“取向”的原子方向来运动，所以它其实看着更像一个铁磁体。

不止是二氧化钌，事实上有一整类材料可以表现出这种磁性，可以将它称为交错磁性。

大部分磁性材料的性质取决于每一个原子的磁场（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，使它们既具备铁磁体又具备反铁磁体的性质。

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多种大概是交错磁体的候选材料。在这类材料中，有很多在过去都是已知的，并被广泛研究过，但无人注意到它们的交错磁性本质。因为交错磁体极具应用潜力，所以研究职员也开始了搜寻工作。

碲化锰

在近期的研究中，研究职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，一直被觉得是一种典型的反铁磁体，由于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，他们依据理论预测，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，进一步知道晶体中的电子能量和动量分布特质。然后，他们发现尽管没外部磁场，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依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不是典型的反铁磁体，更不是典型的铁磁体，而是是自旋磁矩和原子取向不一样的交错磁体。

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。这个范围正在进步，近期出现了其他几项研究，证实了交错磁体的各种其他特质。因此，交错磁性的发现或将只不过一个让人开心的磁学新年代的开始。

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

出品：中国科协科普部

监制：中国科技出版社公司、北京中科星河文化传媒公司

Tags：电子