新的基础物理学被发现——实验证明一种新型磁学的存在

交磁性引入了第三磁相，将反铁磁体的非磁化与铁磁体的强自旋依赖现象相结合。通过国际合作发现的这一新阶段为自旋电子学提供了巨大的潜力，弥合了以前在磁性材料应用方面的差距。

瑞士光源SLS的实验证明了一种新型磁力的存在，对技术和研究具有广泛的意义。

现在，磁性家族又增加了一个新成员：由于瑞士光源SLS的实验，研究人员已经证明了交替磁性的存在。这一新磁学分支的实验发现发表在《自然》杂志上，标志着新的基础物理学，对自旋电子学具有重大意义。

磁性不仅仅是粘在冰箱上的东西。这种理解是在近一个世纪前发现反铁磁体时产生的。从那时起，磁性材料家族分为两个基本阶段：已知了几千年的铁磁分支和反铁磁分支。磁学的第三个分支，称为交替磁学，是由捷克科学院与保罗谢勒研究所（PSI）领导的国际合作在瑞士光源（SLS）进行的实验证明。

基本磁相由磁矩（或电子自旋）和在晶体中携带磁矩的原子的特定自发排列定义。铁磁铁是粘在冰箱上的磁铁类型：这里的自旋指向同一方向，产生宏观磁性。在反铁磁材料中，自旋指向交替的方向，结果是材料没有宏观的净磁化强度，因此不会粘在冰箱上。尽管其他类型的磁性，如抗磁性和顺磁性已被分类，但这些磁性描述了对外部施加磁场的特定响应，而不是材料中自发的磁序。

对自旋电子学的影响

这第三种磁性兄弟为下一代磁存储器技术（称为自旋电子学）的发展领域提供了明显的优势。电子学仅利用电子的电荷，而自旋电子学也利用电子的自旋态来携带信息。

尽管 spintronics 多年来一直承诺要彻底改变 IT，但它仍处于起步阶段。通常，铁磁体已被用于此类设备，因为它们提供了某些非常理想的强自旋依赖物理现象。然而，在许多其他应用中有用的宏观净磁化强度对这些设备的可扩展性造成了实际限制，因为它会导致比特之间的串扰 – 数据存储中的信息承载元素。

最近，反铁磁体被研究用于自旋电子学，因为它们受益于没有净磁化，因此具有超强的可扩展性和能源效率。然而，缺乏在铁磁体中非常有用的强自旋依赖效应，这再次阻碍了它们的实际适用性。

这里输入具有两者优点的交替磁体：零净磁化以及铁磁体中常见的令人垂涎的强自旋依赖现象——这些优点被认为基本上是不相容的。

“这就是交替磁铁的魔力，”该研究的首席研究员、捷克科学院物理研究所的Tomáš Jungwirth说。“在最近的理论预测之前，人们认为不可能的事情实际上成为可能。

理论预测与实验验证

不久前，人们开始抱怨一种新型磁性正在潜伏：2019 年，Jungwirth 与捷克科学院和美因茨大学的理论同事一起确定了一类具有自旋结构的磁性材料，不符合铁磁性或反铁磁性的经典描述。

2022 年，理论家发表了他们对交替磁学存在的预测。他们在从绝缘体和半导体到金属和超导体的材料中发现了200多种替代磁性候选者。这些材料中有许多在过去是众所周知的，并被广泛探索，但没有注意到它们的交替磁性。由于交替磁学带来了巨大的研究和应用机会，这些预测在社区内引起了极大的兴奋。搜索开始了。

获得交变磁体存在的直接实验证明需要证明交变磁体中预测的独特自旋对称特性。证据来自SIS（COPHEE终端站）和SLS的ADRESS光束线的自旋和角度分辨光发射光谱。这种技术使研究小组能够可视化疑似交磁体的电子结构中的一个明显特征：对应于不同自旋状态的电子带的分裂，称为克莱默斯自旋简并的提升。

这一发现是在碲化锰晶体中发现的，碲化锰是一种众所周知的简单双元素材料。传统上，这种材料被认为是一种经典的反铁磁体，因为相邻锰原子上的磁矩指向相反的方向，产生消失的净磁化强度。

然而，反铁磁体不应表现出磁序的提升克莱默斯自旋简并，而铁磁体或交替磁体应该。当科学家们看到克莱默斯自旋简并的抬升，伴随着消失的净磁化强度时，他们知道他们正在研究另一个磁铁。

“由于我们测量的高精度和灵敏度，我们可以检测到对应于相反自旋态的能级的特征交替分裂，从而证明碲化锰既不是传统的反铁磁体也不是传统的铁磁体，而是属于磁性材料的新交替磁性分支，”PSI光束线光学组的光束线科学家Juraj Krempasky说，该研究的第一作者。

实现这一发现的光束线现在已被拆卸，等待 SLS 2.0 升级。经过二十年的成功科学研究，COPHEE终端站将完全集成到新的“QUEST”光束线中。“正是在COPHEE的最后一个光子中，我们进行了这些实验。他们取得了如此重要的科学突破，这对我们来说非常激动，“Krempasky补充道。

结论和未来方向

研究人员认为，磁学的这一新基础发现将丰富我们对凝聚态物理学的理解，并对不同的研究和技术领域产生影响。除了对发展中的自旋电子学领域的优势外，它还通过对不同磁性材料中可能出现的超导态的新见解，为探索非常规超导性提供了一个有前途的平台。

“交变磁性实际上并不是一个非常复杂的东西。这是几十年来在我们眼前完全基本的东西，却没有注意到它，“Jungwirth说。“而且它不仅仅存在于少数晦涩难懂的材料中。它存在于人们只是放在抽屉里的许多晶体中。从这个意义上说，既然我们已经将其公之于众，世界各地的许多人将能够致力于它，从而有可能产生广泛的影响。

Altermagnets的发现和性质

交替磁铁具有自旋排列和晶体对称性的特殊组合。自旋交替出现，就像在反铁磁体中一样，导致没有净磁化强度。然而，这些对称性不是简单地抵消，而是给出了一个具有强烈自旋极化的电子能带结构，当你穿过材料的能量带时，这种结构会朝方向翻转——因此得名交替磁铁。这导致了更类似于铁磁体的非常有用的特性，以及一些全新的特性。