參考消息網8月20日報道 英國《新科學家》周刊網站7月15日刊登題為《我們發現了一種新磁性，它能為我們帶來什么？》的文章，作者是杰克琳·關，內容編譯如下：

  任職于德國約翰內斯·谷登堡美因茨大學的利博爾·什梅伊卡爾十分喜愛荷蘭藝術家M.C.埃舍爾的作品。埃舍爾的創作常從數學中汲取靈感。什梅伊卡爾最喜愛的埃舍爾作品之一是《騎手》。這幅不同尋常的畫以一系列精致的騎馬人物鑲嵌圖形為特色。有意思的是，正是這幅作品啟發什梅伊卡爾預言了一種全新磁性的存在。

  人類對磁體的認識已有數千年歷史。如今，磁體位于眾多現代技術的核心，發電機、智能手機、揚聲器和醫院掃描儀等設備都離不開它。然而，百年來，我們始終對磁體缺乏全面認識。我們一直認為磁性只有兩種。直到2022年，得益于什梅伊卡爾在藝術啟發下獲得的洞見，這種觀念才被推翻。

  時至今日，我們已經知道，什梅伊卡爾所謂的“交錯磁體”并非空想。我們已發現真實的例子，并正在研究如何以實用的方式制造這種新型材料。甚至存在這樣一種可能性，這些磁體將幫助我們打造一種全新的計算機。什梅伊卡爾說：“交錯磁體實際上可以實現現有設備的所有功能，但速度更快、能耗更低、體積更小?！?/p>

  要理解磁性及其重要性，我們需要從原子中高速運動的電子說起。每個電子都具有一種內在的量子特性，稱為“自旋”。日常生活中見不到類似現象，但你可以將其想象成一個微型陀螺，能沿兩個方向旋轉，科學家將這兩個方向稱為“上”或“下”。

  電子傾向于成對繞原子運行，一個自旋向上，一個自旋向下，因此自旋會相互抵消。但情況并非總是如此，因為有時電子會單獨存在。由于沒有其他電子抵消其自旋，未配對電子會賦予原子所謂的“磁矩”：同自旋一樣，磁矩也有上下之分，并決定著原子的磁性。如果足夠多原子的磁矩指向同一方向，它們就會產生強大的定向磁場。這被稱為“鐵磁性”。古希臘人就已知曉這一現象，他們發現有些巖石能吸引鐵釘或鐵屑。制作成冰箱貼的磁體內部也存在這種現象。

  鐵磁體很容易識別，因為它們會吸引或排斥其他磁性材料，如鎳或鈷。但還有另一種更微妙的磁性，直到20世紀30年代才為人發現。反鐵磁體也有磁矩箭頭，但這些箭頭并不指向相同的方向，而是交錯變化，最鄰近的兩個箭頭指向相反方向：想象一排箭頭依次指上、指下、上、下、上、下……。其結果是一種磁僵局：固體在原子層面具有磁序，但在普通物體尺度上沒有統一的可檢測的磁性。

  物理學家路易·奈爾提出了一種思維模型，設想磁體內部存在許多指上、指下的微型箭頭。他提出了第一個反鐵磁性理論(在后續的數十年中得到實驗證實)，并因此獲得了1970年諾貝爾物理學獎。

  磁對稱性

  近百年來，人們一直認為磁性只有這兩種，這倒是簡單明了。2018年，什梅伊卡爾開始懷疑事情并非如此簡單。當時，他還是捷克共和國首都布拉格的一名年輕博士生，正研究反鐵磁體中一種名為“反?；魻栃钡钠嫣噩F象。什梅伊卡爾的突破在于，他意識到這種效應以及類似的神秘磁性難題無法用奈爾開發的模型來解釋，他需要超越這一模型。

  這就不得不提到埃舍爾1946年的作品《騎手》了。畫中的騎士以交替的顏色巧妙拼接在一起，呈現出精致優美的對稱性。取其中一個淺色騎士形象，將其翻轉、稍微側移一下并改變顏色，就能與一個深色騎士形象重合。對著這幅作品陷入沉思的什梅伊卡爾意識到，有另一種數學方法可以描述這種對稱操作。他說：“我意識到，實際上可以用另一種方式定義這種操作，這種顏色或方向的改變?！?/p>

  理解對稱性在物理學中一直至關重要，在材料科學中尤其如此。在材料科學中，不同種類原子之間的復雜關系最好用對稱性來描述。事實上，奈爾有關原子磁矩的思想模型的核心就是對稱性。但通過將他的新數學方法用作框架，什梅伊卡爾開始擴展奈爾的模型：首先從二維擴展到三維，其次將無磁矩的原子納入考量。

  在這一過程中，一種新的可能性開始顯現。相鄰原子的磁矩仍可以像反鐵磁體中那樣指向相反方向：上、下、上、下……但每隔一個的原子會旋轉90度(即就相鄰兩個原子而言，它們的磁矩箭頭所指方向相反，同時一個原子與另一個原子相比旋轉了90度)，“交錯磁體”由此得名。什梅伊卡爾說，這種旋轉可能是由于磁性原子存在于大量非磁性原子中而產生的。盡管箭頭仍然交替著指上和指下，但旋轉的原子會產生一種微妙的效應，使部分磁性得以滲漏出來。

  這一切最初是為了解決一組特定的磁性難題，但什梅伊卡爾說，其意義遠不止于此：這預示可能存在一種全新磁性。交錯磁體像反鐵磁體一樣沒有凈磁性，但又具備使鐵磁體在技術中大有用途的某些量子特性。2022年，什梅伊卡爾及其同事發表了交錯磁性的“完整數學框架”。他說：“整個學界都相當興奮，因為這些系統似乎結合了鐵磁體和反鐵磁體的寶貴優勢?！?/p>

  證實存在

  這一預言僅過了兩年就得到證實。2024年，瑞士謝樂研究所的尤萊·克倫帕斯基及其同事對碲化錳進行了研究，這種化合物被認為具有產生交錯磁性的合適結構。為了驗證這一點，他們用光束追蹤這種材料內部電子的精確運動。結果發現，這些運動與交錯磁體內部相關電子運動的模擬結果非常吻合。

  第三種磁性的發現本身就意義重大，而更令人興奮的是，它可能解決一個長期存在的技術難題。要理解其中緣由，我們需要略微了解計算機如何存儲信息。如今，計算機一般通過芯片存儲信息，本質上通過電荷的有無來表示數字0或1。但研究人員長期以來也一直對利用磁性存儲信息的想法很感興趣。20世紀90年代使用的軟盤就是基于磁性原理工作的。較近時期出現的概念“自旋電子學”則更進一步：不僅利用電荷的有無，還利用電子的自旋來存儲信息。

  理論上，自旋電子學能讓我們在計算機內存中存儲更多信息，從而提高存儲效率。但一直存在一個大問題。要讓自旋電子學發揮作用，我們需要某些材料，在這些材料中，向上自旋和向下自旋可被分離成獨立的部分。在什梅伊卡爾的大學研究小組工作的安娜·赫勒內斯用一個滿是舞者的舞廳來打比方。在非磁性材料中，所有順時針或逆時針跳華爾茲的伴侶(即自旋向上或向下的電子)在舞池中混雜在一起。她說：“但如果存在自旋劈裂，朝一個方向旋轉的舞者就能與朝另一個方向旋轉的舞者分開，各自起舞?！?/p>

  問題在于，這種自旋劈裂效應（制造所有自旋電子設備的基礎）以前只在鐵磁材料中發現過。這是有道理的，因為鐵磁體中所有磁矩箭頭都指向同一方向，因此自旋指向所有這些累積箭頭方向的電子，與自旋指向相反方向的電子所處的環境會略有不同。但如果你試圖將大量鐵磁體集成到一塊微型芯片上，它們就會如你所料地相互吸引或排斥。因此，赫勒內斯說，自旋電子學的應用遇到了瓶頸。

  制造設備

  交錯磁體能否解決這一問題？美國喬治·梅森大學的物理學家伊戈爾·馬津說：“交錯磁體這種獨特的特性組合（沒有凈磁化強度，但仍有自旋劈裂能帶）可能對制造自旋電子設備非常有利?！?/p>

  自從2024年碲化錳被證實具有交錯磁性以來，研究人員就一直忙于嘗試制造具有這種奇特特性的新材料。一種方法是選取已知的反鐵磁體，對其施加機械應力，希望能改變其內部的磁對稱，從而誘導產生交錯磁性。2024年，什梅伊卡爾研究小組的阿塔西·查克拉博蒂帶領研究人員證明，對人們早就知道的反鐵磁體二氧化錸施加壓縮應力，能使其轉變為交錯磁性狀態。

  此外，中國北京理工大學的三位研究人員意識到，還可以通過將反鐵磁體夾在不同材料層之間(就像三明治一樣)來產生合適的內部磁性擾動。頂層和底層會誘導內部電場，模擬天然交錯磁體的晶體環境。

  然而，研究人員傾向于認為，這些巧妙的方法可能不會很快帶來可規?；a的交錯磁體，因為這些方法實施起來難度很大。我們反而似乎更有可能通過尋找天然存在的交錯磁體來獲得實用材料。英國諾丁漢大學的研究人員奧利弗·阿明說：“對于未來10年交錯磁性的前景，我完全可以預見這些材料將變得具有商業可行性?！表诨i被證實為交錯磁性材料后，阿明制作了首張碲化錳實驗圖像。在去年12月發表的一篇論文中，他的團隊證明，研究人員不僅能觀察到賦予這種材料磁性的結構，還能通過在磁場中對材料進行加熱和冷卻來控制這些結構的方向和布局。諾丁漢大學的論文合著者艾爾弗雷德·達爾·丁說：“這是將這些材料轉化為制造各種設備所需實用材料的第一步?！?/p>

  有些類型的原子結構可能表現出這種新磁性，而我們具備這類原子結構的優良計算模型。什梅伊卡爾及其同事利用這些模型對可能的材料進行了數字篩選。他們已經確定了至少200種候選材料，并在他們發表具有里程碑意義的交錯磁性論文后不久公布了這些材料。通過實驗對所有這些候選材料進行確認需要時間，但我們已經知道，除了碲化錳，還有強有力的證據表明二氧化釕也是一種交錯磁體。

  除了是唯一經過認證的真正交錯磁體，碲化錳還是一種成熟的材料，科學家知道如何在實驗室中高質量地培育它。阿明說：“我們現在正在研究的這種碲化錳已被人研究了至少20年，或許更久?！?/p>

  新的驚喜

  就在研究人員努力攻克交錯磁體相關課題之際，什梅伊卡爾又帶來了新的驚喜。在一篇尚未經過同行評議的論文中，他和同事預測了另一種磁性的存在，他稱其為“反交錯磁性”。

  在具有這種奇特特性的材料中，相鄰的自旋不只是像反鐵磁體中那樣上與下交替出現，還會形成鋸齒狀。想象一下微小的箭頭彼此相鄰，第一個指向西北，第二個指向東北，第三個指向東南，第四個指向西南，勾勒出鋸齒狀軌跡。相鄰的箭頭呈鏡像對稱，因此所有鏡像對的方向在疊加后會相互抵消，這與反鐵磁體的情況一致。但什梅伊卡爾說，這種鏡像模式會微妙地影響電子在材料中的運動方式，并且也會導致自旋劈裂。

  “反交錯磁性”的理念以復雜而優美的對稱性為基礎。在其工作的早期，什梅伊卡爾就對這些對稱性很是著迷。

  或許我們可以說，磁體就像他鐘愛的埃舍爾藝術作品：觀察得越多，就會發現越多令人欣喜的細節。（編譯/朱捷）