瑞士光源SLS的實驗證明了一種新型磁力的存在，這對技術和研究具有廣泛的意義。
現在，磁性家族中又增加了乙個新成員：由於瑞士光源SLS的實驗，研究人員已經證明了交變磁性的存在。 發表在《自然》雜誌上的這一新磁學分支的實驗發現標誌著對自旋電子學具有重要意義的新基礎物理學。
磁性不僅僅是粘在冰箱上的東西。 這種理解是在近乙個世紀前發現反鐵磁體時產生的。 從那時起，磁性材料家族就分為兩個基本階段：幾千年來已知的鐵磁分支和反鐵磁分支。 磁學的第三個分支，稱為交變磁學，由捷克科學院和保羅·謝勒研究所（PSI）領導的國際合作中，通過瑞士光源（SLS）進行的實驗進行了證明。
基本磁相由磁矩（或電子自旋）和晶體中攜帶磁矩的原子的特定自發排列定義。 鐵磁體是粘在冰箱上的磁鐵型別：這裡的自旋指向同一方向，產生巨集觀磁性。 在反鐵磁材料中，自旋指向交替方向，結果是材料沒有巨集觀淨磁化強度，因此不會粘在冰箱上。 儘管其他型別的磁性，如抗磁性和順磁性，已被分類，但這些磁性描述了對外部施加磁場的特定響應，而不是材料中的自發磁序列。
交替磁鐵具有自旋排列和晶體對稱性的特殊組合。 自旋交替，就像在反鐵磁體中一樣，不會產生淨磁化。 然而，這些對稱性不是簡單地抵消，而是給出了具有強自旋極化的電子帶結構，當您穿過材料的能帶時，電子帶會沿方向翻轉——因此得名交變磁鐵。 這導致了非常有用的特性，這些特性更類似於鐵磁體，以及一些全新的特性。
這第三個磁性兄弟在下一代磁性儲存器技術（稱為自旋電子學）的發展領域具有明顯的優勢。 電子學僅使用電子的電荷，而自旋電子學也使用電子的自旋態來攜帶資訊。
儘管 Spintronics 多年來一直承諾要徹底改變 IT，但它仍處於起步階段。 一般來說，鐵磁體已被用於此類裝置中，因為它們提供了某些非常理想的強自旋依賴物理學。 然而，在許多其他應用中有用的巨集觀淨磁化強度對這些器件的可擴充套件性造成了實際限制，因為它會導致位元之間的串擾，位元是資料儲存中的資訊承載元件。
最近，反鐵磁體被研究用於自旋電子學，因為它們受益於沒有淨磁化強度，因此具有超強的可擴充套件性和能源效率。 然而，缺乏在鐵磁體中非常有用的強自旋依賴效應，再次阻礙了它們的實際適用性。
在這裡，我們進入了具有兩者優點的交變磁體：零淨磁化強度和鐵磁體中常見的令人垂涎的強自旋依賴現象——這些優點被認為基本上是不相容的。
這就是交替磁鐵的魔力，“捷克科學院物理研究所該研究的首席研究員TomáJungwirth說。 “在最近的理論**之前，人們認為不可能的事情實際上變成了可能。
不久前，人們開始抱怨一種新型磁性潛伏著：2019年，Jungwirth與捷克科學院和美因茨大學的理論同事一起，發現了一類具有自旋結構的磁性材料，這些材料不符合鐵磁性或反鐵磁性的經典描述。
2022 年，理論家發表了他們關於交變磁存在的**。 他們已經確定了200多種替代磁性候選材料，從絕緣體和半導體到金屬和超導體。 這些材料中有許多在過去是眾所周知的，並且已經被廣泛探索，但它們的交變磁性尚未被注意到。 由於交替磁學帶來了巨大的研究和應用機會，這些**在社群中引起了極大的興奮。 搜尋開始了。
要獲得交變磁體存在的直接實驗證據，需要證明交變磁體中獨特的自旋對稱性。 證據來自SIS（Cophee終端站）和ALS的Adress光束線的自旋和角度分辨光學發射光譜。 這種技術使研究小組能夠視覺化疑似交變磁體的電子結構中的乙個明顯特徵：對應於不同自旋狀態的電子帶**，稱為Kramers自旋簡併的促進。
這一發現是在碲化錳晶體中發現的，碲化錳是一種眾所周知的簡單雙元素材料。 傳統上，這種材料被認為是一種經典的反鐵磁體，因為相鄰錳原子上的磁矩指向相反的方向，產生消失的淨磁化強度。
“現在我們已經公開了它，世界各地的許多人將能夠完成這項工作。 ”然而，反鐵磁體不應表現出較高的磁序克萊默斯自旋偏移，而鐵磁體或交變磁體應該。 當科學家們看到克萊默斯自旋簡併的隆起，伴隨著消失的淨磁化強度時，他們知道他們正在研究另乙個磁鐵。
由於我們測量的高精度和靈敏度，我們可以檢測到對應於相反自旋態的能級的特徵交替**，從而證明碲化錳既不是傳統的反鐵磁體也不是傳統的鐵磁體，而是磁性材料的新交變磁分支，“PSI光束線光學小組的光束線科學家Juraj Krempasky說。 該研究的第一作者。
Bootstrap 程式 做出這一發現的光束線現在已被拆解，等待 SLS 20 公升級。 經過二十年的成功科學研究，Cophee終端站將完全整合到新的“Quest”光束線中。 “正是在cophee的最後乙個光子中，我們進行了這些實驗。 我們很高興他們取得了如此重要的科學突破，“Krempasky補充道。
研究人員認為，磁學的這一新基礎發現將豐富我們對凝聚態物理學的理解，並對不同的研究和技術領域產生影響。 除了在發展中的自旋電子學領域的優勢外，它還通過對不同磁性材料中可能出現的超導態的新見解，為探索非常規超導性提供了乙個有前途的平台。
交變磁性其實並不是一件很複雜的事情。 幾十年來，它在我們眼前完全是基本的東西，卻沒有注意到它，“Jungwirth說。 “這不僅僅是在少數晦澀難懂的材料中。 它存在於人們只是放在抽屜裡的許多水晶中。 從這個意義上說，既然我們已經公開了它，世界各地的許多人將能夠致力於它，並有可能產生廣泛的影響。
參考資料： “Altermagnetic lifting of kramers spin degeneracy” by J krempaský， l. šmejkal， s. w. d'souza， m. hajlaoui， g. springholz， k. uhlířová， f. alarab， p. c. constantinou， v. strocov， d. usanov， w. r. pudelko， r. gonzález-hernández， a. birk hellenes， z. jansa， h. reichlová， z. šobáň，r. d. gonzalez betancourt， p. wadley， j. sinova， d. kriegner， j. minár， j. h.DIL 和 T榮格沃斯，2024 年 2 月 14 日，《自然》。
doi： 10.1038/s41586-023-06907-7
編譯自：科技日報