一种新形式的磁性可以制造出更强大的存储设备

你可以说它让基础物理学陷入了困境。

固体物体内原子磁矩的表现方式比我们之前意识到的还要多一种。 

图片来源：ORNL/Jill Hemman，来自 Flickr（CC BY 2.0）

新的研究表明，磁性分为三种，而不是两种，而且新的磁性可能会有很大的需求。

对于指南针的第一批使用者来说，磁铁肯定是一种魔法。正当我们开始认为我们已经掌握了传统形式（称为铁磁性）时，一种新形式（反铁磁性）被发现了。现在看来，我们对此的描述也不足以证明第三种类型，即交变磁力。当被问到：“磁铁，它们是如何工作的？科学家们并没有撒谎，但他们的答案并不完整。

当磁性不是由大电流或变化的磁场引起时，它是电子自旋的结果。这里的自旋并不字面意思是电子像行星一样旋转，而是指同名的亚原子行为。轨道电子具有由自旋引起的磁矩，但这些磁矩通常是随机排列的。即使是一个小物体，也含有难以想象的大量电子，一切都会抵消，或者变得如此接近，以至于变得无关紧要。

然而，在极少数情况下，磁矩足以产生大范围的磁场。这种情况只有少数元素才有可能实现，最著名的是铁，但当这种情况发生时，它就会产生人们熟悉的磁石对（磁性）北极的吸引力或磁铁对冰箱的吸引力。

1933 年发现的反铁磁体通常需要低温，并且涉及原子与邻近原子的磁自旋相反的模式。如果没有外部磁场，反铁磁体的行为就像任何其他材料一样。然而，当暴露于一种原子时，原子的磁矩与相邻原子的磁矩相反，而不是随机排列，或者像铁磁体那样沿着共同方向排列。这不会导致材料对场产生净贡献，但它可能会导致不同情况下电导率的急剧变化，这可能有应用。

如果材料可以按照磁场的命令前进，通过改变方向来拒绝它们或完全忽略它们，那还剩下什么呢？

令人惊讶的是交流磁铁提供了答案。乍一看，交流磁体似乎只是反铁磁体的另一种形式。它们的内部旋转也与邻居的旋转方向相反，不会产生任何净效应。这些图案通过旋转对称而不是平移对称重复，这意味着相邻原子不会相互抵消，而是会产生自旋极化，从而导致能带交替。

由此产生的特性可以在两种先前已知类型的磁体之间提供中间立场，并且可能被证明对于使磁存储记录器比现有的磁存储记录器更强大非常有用。 

这将通过所谓的自旋电子学来实现——利用电子的自旋态及其电荷来携带信息。自旋电子学多年来一直使用铁磁体进行研究，有时甚至被大肆宣传。然而，铁磁体提供的体磁性使得自旋电子器件的规模化变得困难，因为体磁场会干扰其自身组件的自旋以及任何邻居的自旋。反铁磁体避免了这种情况，但它们缺乏自旋相关效应，阻碍了一些正在寻找的行为。 

提出交变磁体的理论让物理学家怀疑它们是否可能代表自旋电子学的金发姑娘区，并寻求证实它们确实存在。

现在已经找到了确认，一些人很兴奋地使用了不同的 M 词。 “这就是交流磁体的魔力，”捷克科学院的托马斯·荣格沃斯教授在一份声明中说。 “在最近的理论预测之前，人们认为不可能的事情实际上是可能的。 ”

2019 年，Jungwirth 帮助识别了一类不符合现有类别的磁性材料，它们在没有外部磁场的情况下携带内部电流。三年后，他所在的团队发现了 200 多种不同类别材料的交变磁力候选材料。然而，从怀疑到证明还有很大差距，而且当时还缺乏对交变磁力的证实。

然而，在X射线中沐浴碲化锰晶体（以前被认为是反铁磁体）后，Jungwirth和合著者宣布它由具有交替自旋态的电子带组成，这是交变磁体的关键特征。 

从技术上讲，X射线显示碲化锰在磁序上表现出“提升的克莱默自旋简并性”。尽管听起来像是伪中世纪邪教的悬浮仪式，但这实际上是铁磁体的一个经过深入研究的特性，它在交变磁体中被预料到，但在反铁磁体中却没有出现。 

除了增进我们对磁性及其可能产生的潜在应用的理解之外，Jungwirth 和同事认为他们的工作可以为超导性提供新的见解。 

“交变磁力实际上并不是什么非常复杂的东西。它是一种完全基本的东西，数十年来一直在我们眼前出现而没有注意到它，”荣格沃斯说。“而且它不仅仅存在于少数晦涩的材料中。它存在于许多材料中。”从这个意义上说，现在我们已经将它公开，世界各地的许多人将能够对其进行研究，从而产生广泛的影响。”

该研究已在《自然》杂志上公开发表。