在一项于近期发表于《自然》杂志的研究中，一个国际研究团队首次通过实验测量，证实了一种理论上存在，但此前从未见过的新磁性——交变磁性（altermagnetism）。这一发现不仅有助于制造新型的磁性计算机，还标志着新的基础物理学，对自旋电子学具有重大意义。

铁磁性和反铁磁性

磁，是一个我们非常熟悉的概念。我们在日常生活中常见的那些磁体，比如用来装饰冰箱的磁铁，都属于铁磁体，它们的磁性被称为铁磁性，是由材料内部的电子的自旋以某种有序的方式排列而导致的。

在没有铁磁性的材料中，原子中的电子是成对的，它们具有相反的自旋方向，其磁场可以相互抵消，从而使材料在整体上不会表现出磁性；但在铁磁体中，原子的最外层有许多未成对的电子，它们的自旋朝相同的方向排列对齐，能产生微弱的磁场，因此材料在整体上会产生一个净磁场，从而使材料表现出磁性。

通过施加额外的磁场，铁磁体内的电子自旋可以被轻易地翻转，产生不同的状态。铁磁体所具有的这种强自旋相关性，使它在许多技术中都有广泛应用，并催生了被称为自旋电子学的研究领域（不同于只考虑电子电荷的电子学，自旋电子学也考虑电子的自旋态）。

在很长一段时间里，人们只知道铁磁性这一种磁性。但是，在20世纪30年代，法国物理学家Louis Néel发现了另一种磁性，即反铁磁性。

在反铁磁体中，电子的自旋指向交替的方向。这种交替的电子虽然使材料在整体上不会产生宏观的净磁场（零净磁场），但可以使它们表现出有趣的内部磁性。科学家预测，如果用反铁磁体来制造电子器件，有望能更高效地实现信息的存储和处理。尽管反铁磁体已经被用于自旋电子学的研究，但由于缺乏强自旋相关性，反铁磁体的实际应用受到了阻碍。

这时，交变磁体（altermagnet）就体现出了它的优势，它具有两者的优点：既有反铁磁体的零净磁场，也有铁磁体的强自旋相关现象。在理论上，这些优点通常被认为是不相容的。

交变磁体

对交变磁体的探讨可以追溯到2019年，当时，物理学家Libor Šmejkal通过计算，偶然发现一种名为二氧化钌的化合物像普通的反铁磁体一样没有净磁场，但当有电流时，这种材料会表现得像铁磁体。随后，有研究团队通过实验证实了二氧化钌的这种特性。

在大多数材料中，电子自旋方向与晶格中的宿主原子方向是一致的；但在某些材料中，自旋方向可以独立于原子旋转。为了解释二氧化钌这样的材料为何会既具有铁磁性，又具有反铁磁性，Šmejkal和他的同事提出了交变磁性（altermagnetism）：在交变磁体中，交变磁体具有自旋排列和晶体对称性的特殊组合，当所有的原子旋转90°时，电子的自旋被翻转了180°。

大多数磁性材料的性质取决于每个原子的磁场（以其自旋表示）是指向上（粉色）还是指向下（黄色）。在交变磁体中，原子与电子的自旋独立旋转，使它们既具有铁磁体又具有反铁磁体的性质。（图/A. MASTIN/SCIENCE）

交替的自旋使得交变磁体像反铁磁体一样，没有净磁场。而它所具有的对称性，并不会使自旋只是简单地相互抵消，而是会产生一种具有强自旋极化的电子能带结构，当穿过材料的能带时，这种自旋极化会向相反的方向翻转。

在2022年，科学家从各种绝缘体、半导体、金属和超导体材料中，预测了200多种有可能是交变磁体的候选材料。

碲化锰

在新的研究中，研究人员通过测量晶体碲化锰的电子结构，证实了交变磁体的存在。碲化锰是一种简单的双元素材料。一直以来，这种材料被认为是一种典型的反铁磁体，因为其相邻锰原子的磁矩都指向相反的方向，产生零净磁场。

要确认一种材料是否是交变磁体， 需要证明这种材料中是否存在理论所预测的独特的自旋对称特性。在这项新的实验中，研究人员测量了光会如何从碲化锰上反射，从而测量晶体内的电子的能量和速度。

在绘制出这些电子之后，他们发现这些电子似乎被分成两组，这使得它们在晶体内部具有更多的运动。这种电子分组似乎来自晶体结构中无磁性的碲原子，它将锰的磁荷分离到自己的平面上，并允许不寻常的旋转对称出现。

这一现象几乎完全符合对交变磁体的理论预测，它明确地证明了碲化锰既不是典型的反铁磁体，也不是典型的铁磁体，而是属于磁性材料的一种新的分支——交变磁体。

或将引领一场技术改革

交变磁体中的电子比反铁磁体中的电子能更自由地移动，而它不具有铁磁体那样的外部磁场也使它可以被用于制造互不干扰的磁性设备。这种特性可以有效地增加计算机硬盘的存储空间，甚至帮助制造出自旋电子计算机。这是一类使用磁自旋而非电流来进行测量和计算的计算机，它可以将存储器和计算机芯片集成到一个设备中。可以说，这一发现为制造自旋电子器件带来了希望。

正如前文提到的，科学家预测有超过200种材料是交变磁体，这个数量是已知铁磁体的两倍多。这表明，交变磁性实际上并不是非常复杂的东西，它是一种基本的性质。并且它不是只存在于一些晦涩难懂的材料中，还存在于许多常见的晶体中。研究人员相信，这一新的突破除了对不同领域的研究和技术将产生潜在影响之外，还将丰富我们对凝聚态物理的理解。它不仅有助于自旋电子学领域的研究，它还对不同磁性材料中可能出现的超导态产生新的见解，为探索非常规超导性提供了一个别样的平台。

参考来源：

https://www.psi.ch/en/science/scientific-highlights/altermagnetism-proves-its-place-on-the-magnetic-family-tree

https://www.science.org/content/article/researchers-discover-new-kind-magnetism

https://www.newscientist.com/article/2417255-the-existence-of-a-new-kind-of-magnetism-has-been-confirmed/

封面图&首图来源：Libor Šmejkal & Anna Birk Hellenes via Science