超导性的“缺失环节”：科学家发现了新的第三种形式的磁性

科学家们发现了一种难以捉摸的第三种形式的磁性，这可能有助于解决关于超导体的长期难题。

研究人员已经获得了第一个确凿的证据，证明存在一种难以捉摸的第三类磁，即变磁。他们的研究结果发表在12月11日的《自然》杂志上，可能会彻底改变新型高速磁存储设备的设计，并为开发更好的超导材料提供缺失的一块拼图。

“我们之前已经确定了两种类型的磁性，”研究作者、英国诺丁汉大学的博士后研究员奥利弗·阿明告诉我们。“铁磁性，即磁力矩，你可以将其想象成原子尺度上的小指南针箭头，全部指向同一个方向。还有反铁磁性，相邻的磁力矩指向相反的方向 —— 你可以将其想象得更像是白色和黑色瓷砖交替的棋盘。”

电流中的电子自旋必须指向两个方向中的一个，并且可以与这些磁矩对齐或相反，以存储或携带信息，形成磁存储设备的基础。

一种新的磁性

2022年首次提出的变磁材料，其结构介于两者之间。每个磁矩都指向与其相邻磁矩相反的方向，就像在反铁磁材料中一样。但是每个单元相对于相邻的磁性原子都有轻微的扭曲，从而产生一些类似铁磁性的性质。

因此，交变磁体（Altermagnets）结合了铁磁性和反铁磁性材料的最佳性能。“铁磁体的好处是，我们有一种简单的方法来读写内存，使用这些上下域，”该研究的合著者、诺丁汉大学的博士生阿尔弗雷德·达丁表示。“但由于这些材料具有净磁性，因此在其上擦拭磁铁也很容易丢失这些信息。”

相反，反铁磁材料在信息存储方面更具挑战性。然而，由于它们的净磁性为零，因此这些材料中的信息更加安全，携带速度也更快。“交变磁体具有反铁磁体的速度和弹性，但它们也具有铁磁体的重要特性，称为时间反转对称破缺，”阿尔弗雷德·达丁说。

这种令人费解的性质着眼于物体在时间上向前和向后运动的对称性。“例如，气体粒子四处飞行，随机碰撞并填满空间，”奥利弗·阿明说。“如果你把时间倒回去，这种行为看起来没有什么不同。”

这意味着对称是守恒的。然而，由于电子同时拥有量子自旋和磁矩，逆转时间 —— 因此，运动方向 —— 会翻转自旋，这意味着对称性被打破。阿明解释说：“如果你观察这两个电子系统 —— 一个是时间正常前进的，另一个是时间倒带的 —— 它们看起来不同，所以对称性被打破了。这允许某些电现象存在。”

寻找超导的“缺失环节”

由诺丁汉大学物理学教授Peter Wadley领导的研究小组使用一种称为光电电子显微镜的技术来成像碲化锰的结构和磁性，碲化锰以前被认为是反铁磁性的材料。

阿明说：“根据我们选择的X射线的偏振，磁性的不同方面会被照亮。”圆偏振光揭示了时间反转对称性破缺所产生的不同磁畴，而水平或垂直极化的X射线使研究小组能够测量整个材料的磁矩方向。通过结合这两个实验的结果，研究人员创造了有史以来第一个不同磁域和结构在一个变磁材料中的地图。

有了这个概念证明，该团队通过控制热循环技术来操纵内部磁性结构，制造了一系列的电磁器件。

阿明说：“我们能够在六边形和三角形装置中形成这些奇异的漩涡结构。这些漩涡在自旋电子学中作为潜在的信息载体越来越受到关注，所以这是如何创建实用设备的一个很好的第一个例子。”

该研究的作者表示，这种新型磁性的成像和控制能力可能会彻底改变下一代存储设备的设计，提高运行速度，增强弹性和易用性。

阿尔弗雷德·达丁说：达尔丁说：“交变磁性也将有助于超导电性的发展。”“长期以来，这两个区域之间的对称性一直存在一个漏洞，而迄今为止仍然难以捉摸的此类磁性材料却成为了谜题中缺失的一环。"

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