科学家发现一种新磁性有助制造新型磁性计算机

在交替磁体中，相邻的原子被旋转，它们的磁自旋被翻转。图片来源：LIBOR SMEJKAL

近日，一项在线发表于《自然》的研究报告说，科学家首次测量到一种新的磁性。产生这种磁性的交变磁体包含了现有不同类别磁体的混合特性，可用于制造高容量和快速存储设备或新型磁性计算机。

直到20世纪，人们还认为只有一种永磁体，即铁磁体，可以在冰箱贴或指南针等外部磁场相对较强的物体上看到其效应。这些磁场是由磁铁电子沿一个方向排列的磁自旋产生的。

但是，20世纪30年代，法国物理学家Louis Neel发现了另一种磁性——反铁磁性，其电子的自旋交替上下。尽管反铁磁体缺乏铁磁体的外部磁场，但由于自旋交替，它们确实显示出有趣的内部磁性。

2019年，研究人员预测，在某些反铁磁体的晶体结构中存在一种令人费解的电流，被称为反常霍尔效应。这种在没有外部磁场的情况下运动的电流，无法用传统的交替自旋理论进行解释。

当从自旋的角度看晶体时，可能是第三种永久磁性起了作用，即所谓的交变磁性。交变磁体看起来像反铁磁体，但无论从任何角度旋转，自旋片看起来都是一样的。这可以解释霍尔效应，但没有人了解这种结构本身的电子特征，所以科学家不确定它是否为一种新的磁性。

现在，瑞士保罗·谢勒研究所的Juraj Krempasky和同事通过测量碲化锰晶体的电子结构，证实了交变磁体的存在，而碲化锰以前被认为是反铁磁性的。

他们测量了光如何从碲化锰上反射，以确定晶体内电子的能量和速度。在绘制出这些电子后，研究人员发现其结果几乎完全符合对一种交变磁性材料的模拟预测。

电子似乎被分成两组，这使得它们在晶体内部有更多的运动，这也是不寻常的交变磁性的来源。Krempasky说：“研究提供了交变磁体的直接证据，并且它们的行为完全符合理论预测。”

这种电子分组似乎来自碲原子，它在晶体结构中是无磁性的，能将锰的磁性电荷分离到自己的平面上，并允许不寻常的旋转对称。

“这些材料确实存在，这是一个很好的证明。”英国约克大学的Richard Evans说，交变磁体中的电子能够比反铁磁体中的电子更自由地移动，此外，这种新型磁体也不像铁磁体那样有外部磁场，所以可用于制造互不干扰的磁性设备。

这种特性可增加计算机硬盘的存储容量，因为商业硬盘设备中的铁磁材料由于包装得非常紧密会使外部磁场受到干扰。如果使用交变磁体，则可以包装得更为密集。

英国利兹大学的Joseph Barker说，利用这种磁体甚至可以制造出自旋电子计算机，后者通过磁自旋而不是电流进行测量和计算。“这项研究可能给人们制造自旋电子器件带来更多希望。”Barker说。（文乐乐）