揭开常见金属中的隐藏磁性秘密

人们或许认为，像铜、金这样的金属是没有磁性的——毕竟它们不会像铁那样吸附在冰箱门上。但事实上，在合适条件下，它们也会对磁场做出响应——只是其响应的方式极其微妙。

那么，要如何在非磁性材料中检测极其微弱的磁效应呢？

在一项于近期发表在《自然·通讯》杂志中，一个国际研究团队报告了一种新颖而强大的技术，能够只用激光和巧妙的实验设计，就探测到铜、金和铝等常见金属中极其微弱的磁信号。这一技术性的突破有望推动从智能手机到量子计算等多个领域的发展。

磁光克尔效应

一个多世纪以来，科学家已经知晓电流在磁场中会发生偏转，产生横向的电压，这一现象被称为霍尔效应。当在磁性材料中进行测量时，则会出现反常霍尔效应，其特征是它会产生一个远大于普通霍尔效应的电压，且该电压会随着外加磁场的增强而趋于饱和。

磁光克尔效应（MOKE）可被看作是反常霍尔效应在光学领域的对应现象。它表现出异常强烈的横向偏振，同样在磁场增强时趋于饱和。因此它具备极高的灵敏度，甚至能够探测到磁性材料中单原子层的磁性，可作为一种通过激光测量磁场如何影响光反射的技术。

把“磁性”的音量调大

为了解决如何探测非磁性材料中极其微弱的磁效应这个难题，研究人员对MOKE技术进行了改进。

具体来说，他们通过将波长440纳米的蓝色激光与外加磁场的大调幅相结合，大幅提升了测量的灵敏度，进而成功探测到了铜、金、铝、钽和铂等非磁性金属中的磁性“回声”——这在过去几乎被认为是不可能完成的任务。

传统的霍尔效应测量需要在设备布设微小的导线，这一过程既耗时又复杂，对于纳米尺度器件来说尤为棘手。但在新的研究中，研究人员则大大简化了这一过程——仅需使用激光照射设备，无需电线来进行任何物理接触。

从“噪声”到“信号”

此外，研究团队惊讶地发现，原本看似杂乱无章的“回声”信号，其实并不是随机的“噪声”，而是隐藏着清晰的规律。这种规律性的信号模式与一种名为自旋轨道耦合的量子特性有关，这种特性描述了电子的运动方式与它们的自旋之间的关系。

这种耦合也影响了材料中磁能的耗散方式。因此，这一发现可能直接推动磁存储、自旋电子学乃至量子系统的设计优化。

研究人员将这比作突然发现收音机里的“杂音”其实是一种低声的有价值的信息，而现在他们得以用光“倾听”这些来自电子的隐藏信息。

研究自旋与磁性的全新窗口

事实上，早在1881年，霍尔效应的发现者——埃德温·霍尔（Edwin Hall），就曾尝试用光来测量霍尔效应，但未能成功。现在，新研究把一个困扰科学界近150年的难题，转变为一次通向未来技术的新机会。

它提供了一种非接触式、高灵敏度的手段来探索金属中的磁性，它不再需要大型磁铁或极低温环境。研究人员表示，其简单性与高精度将有助于开发更快的处理器、更节能的设备，以及更精准的传感器。

#参考来源：

https://europeanfriends.huji.ac.il/news/shedding-new-light-invisible-forces-hidden-magnetic-clues-everyday-metals-unlocked

https://www.nature.com/articles/s41467-025-61249-4

#图片来源：

封面图&首图：Paz Roth