李兆瀅

磁，是一個我們在生活中非常熟悉的概念。根據磁性的不同排布方式，理論上預計有1421種磁性，實驗上也已經發現了許多種。在今年的2月14日，一項發表于《自然》雜志的新研究表明，科學家首次通過實驗測量，證實了存在一種全新的磁性形態——交錯磁性（altermagnetism）。

想要理解什么是交錯磁性，讓我們從最熟悉的鐵磁性和反鐵磁性說起。

鐵磁性和反鐵磁性

我們在日常生活中接觸的那些磁鐵，比如冰箱貼和門吸等，都屬于鐵磁體，它們的磁性被稱為鐵磁性。材料的磁性主要來自于其內部電子的行為。從微觀上來看，每個電子就像是一個小條形磁鐵。電子的磁矩方向與它的自旋（即電子的內稟磁矩）直接相關。

一個原子是否具有磁矩，與電子的分布方式密切相關。如果原子中相同軌道上的電子是成對的，量子力學原則會讓它們的自旋方向相反，所以各自磁矩產生的磁場可以相互抵消。這就導致原子本身不具備凈磁矩，所以這些原子組成的材料在整體上也不會表現出鐵磁性。但是，有一些元素的原子，比如鐵、鎳、鈷、錳及大部分稀土元素等，它們的原子最外層有許多未成對的電子，一旦這些電子們的自旋朝相同的方向排列對齊，就會產生一個弱磁矩，也就是原子凈磁矩不為零。此外，電子在原子內部的軌道運動也會產生磁矩，不過一般比自旋磁矩要小得多，原子整體的磁矩是自旋磁矩與軌道磁矩的耦合結果。在特定溫度環境下，磁性原子的磁矩會在材料內部形成一個個小塊的磁疇，相當于更大尺度的磁鐵，這些磁疇如果排列方向也保持一致，就會導致材料在整體上有一個相對較大的磁場，從而使材料表現出鐵磁性。

鐵磁體有許多實際的技術應用，比如可以被用作計算機磁性存儲單元，因為鐵磁體內的電子自旋可以通過施加額外的磁場被翻轉，從而產生不同的有磁性態和無磁性態，記錄為“1”和“0”。鐵磁體所具有的這種強自旋相關性也催生了被稱為自旋電子學的研究領域。不同于只考慮電子電荷的傳統電子學研究，自旋電子學器件也利用電子的自旋態來攜帶更多信息。

在相當漫長的時間里，人們都把有磁性等同于鐵磁性。但到了20世紀30年代，物理學家Louis Néel等人發現了另一種磁性，即反鐵磁性。

在反鐵磁體中，原子的磁矩并不都指向一個方向，而是交替的，最近鄰兩個原子的磁矩大小相等、方向相反。因此在宏觀層面，反鐵磁體的內部磁矩產生的磁場會相互抵消，沒有明顯的宏觀磁場效應，所以用這種材料制成的冰箱貼是無法粘在冰箱上的。科學家們對反鐵磁體在自旋電子學領域的應用也進行了大量的研究，不過目前還沒有很多實際應用。

交錯磁體

幾年前，物理學家在尋找反鐵磁材料時，偶然發現了一種奇怪的化合物——二氧化釕。二氧化釕沒有凈磁矩，這一點和自旋都是交替排列的反鐵磁體幾乎一樣；但與此同時，當有電流時，這種材料會表現得像鐵磁體。科學家們通過實驗證實了二氧化釕的這種特性。

在2021年，科學家們提出了一個想法，可以獲得一種介于鐵磁體和反鐵磁體之間的材料。簡單來說，他們的解決方案是，與其想象這些原子的自旋磁矩與原子本身相連，倒不如設想自旋磁矩的旋轉可以獨立于原子本身，這樣一來就可以在這種仍然保持相同的磁性結構的材料上進行操作。在這樣的材料中，自旋磁矩仍然可以是交替排列的，但是由于原子本身的軌道與自旋的耦合很弱，原子本身可以認為能進一步旋轉。我們可以舉一個簡單的例子來說明這種情況：假如你把一個鐵磁體中的每個相隔一個的原子旋轉90度，再把這些原子的自旋磁矩翻轉180度，結果就會變成——如果從自旋磁矩來看，它像一個反鐵磁體，但如果從電子在材料內部運動方式來看，它們更傾向于沿著相同“取向”的原子方向來運動，所以它其實看起來更像一個鐵磁體。

不僅僅是二氧化釕，實際上有一整類材料可以表現出這種磁性，可以將其稱為交錯磁性。

大多數磁性材料的性質取決于每個原子的磁場（以其自旋表示）是指向上（粉色）還是指向下（黃色）。在交錯磁體中，原子與電子的自旋獨立旋轉，使它們既具有鐵磁體又具有反鐵磁體的性質。

2022年，理論學家從各種絕緣體、半導體和金屬材料中，預測了200多種有可能是交錯磁體的候選材料。在這些材料中，有許多在過去都是已知的，并被廣泛研究過，但沒有人注意到它們的交錯磁性本質。由于交錯磁體極具應用潛力，所以研究人員也開始了搜尋工作。

碲化錳

在最近的研究中，研究人員關注到了一種簡單的晶體——碲化錳。碲化錳是一種雙元素材料，一直被認為是一種典型的反鐵磁體，因為其相鄰錳原子的磁矩都指向相反的方向，因此不會在材料周圍產生外部磁場。

在一個光電發射實驗中，他們根據理論預測，來操控“照射”在碲化錳晶體上的“光”的偏振方向。他們基于同步輻射裝置的角分辨光電子能譜儀測量了材料的能帶結構，進一步了解晶體中的電子能量和動量分布特性。然后，他們發現盡管沒有外部磁場，碲化錳中的電子態仍然表現出強烈的自旋劈裂，而且這種自旋劈裂完全符合根據量子力學計算所預測的交錯磁性的結果。

也就是說，新研究證明了碲化錳既不是典型的反鐵磁體，也不是典型的鐵磁體，而是屬于自旋磁矩和原子取向不同的交錯磁體。

或將引領一場技術改革

交錯磁體的發現對自旋電子學有著重大意義。這個領域正在發展，最近出現了其他幾項研究，證實了交錯磁體的各種其他特性。因此，交錯磁性的發現或將只是一個令人興奮的磁學新時代的開始。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06907-7

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者名稱：李兆瀅

審核：羅會仟

出品：中國科協科普部

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來源: 星空計劃

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