磁铁不止南北极！美科学家再添第三类磁性，下一代芯片或被改写

提起磁铁，大多数人脑海中浮现的是一端为北、一端为南的冰箱贴。但在物理学家眼中，磁性的世界远比这复杂，而且最近又迎来了一位“新成员”。

美国中佛罗里达大学的研究团队，在一种由钴、钽和硒组成的层状材料Co₁/₄TaSe₂中，找到了“交错磁性”的实验证据。

这项成果发表在2026年10月的《自然·通讯》上。论文第一作者是实验量子物理学家米洛·斯普拉格，通讯作者为物理学教授马达布·纽帕内。

交错磁性被视为铁磁性和反铁磁性之外的第三类基本磁性，正在成为凝聚态物理和下一代电子器件研究中最炙手可热的方向之一。

磁性家族的“第三种性格”

要理解交错磁性为何特别，得先看看它的两位“前辈”。

（新加坡国立大学）

铁磁体是我们最熟悉的磁性材料，其中电子的自旋整齐地朝着同一个方向排列，就像一支步调一致的仪仗队。

正因如此，铁磁体能对外产生明显的磁场，冰箱贴和传统硬盘都依赖这种特性。

但铁磁体也有一个缺点：它会产生向外泄漏的“杂散磁场”。在芯片中，元件挤得越紧，这些杂散磁场就越容易相互干扰，限制了器件的进一步缩小。

此外，铁磁体的磁化方向容易受到外部磁场扰动，翻转速度也受到物理机制的限制。这些问题在追求更快、更密、更省电的今天，正变得越来越突出。

反铁磁体则走了另一条路。相邻电子的自旋方向一正一反，相互抵消，整体对外几乎不显示磁性，也就没有杂散磁场。

问题在于，正因为自旋完全抵消，反铁磁体内部的电子很难按照自旋被区分开来，难以直接用于信息的读写。

交错磁性恰好兼得两者之长。

它的相邻自旋同样方向相反，整体净磁矩为零，但这些自旋所在的晶格位置是通过旋转等对称操作相互关联的，而不是简单的平移。

这种特殊的对称性，使材料内部的电子能带出现明显的“自旋劈裂”，也就是不同自旋的电子拥有不同的能量和运动状态。

于是，交错磁体既像反铁磁体一样“安静”，不对外放出杂散磁场；又像铁磁体一样，能够有效地产生和区分自旋电流。

如果把铁磁体比作一位嗓门洪亮的歌手，反铁磁体比作一位沉默不语的听众，那么交错磁体就像一位能轻声细语、却句句清晰的演讲者。

900摄氏度烤出的新晶体

交错磁性的概念最初来自理论物理学家的计算。他们在系统梳理晶体对称性时发现，传统的“铁磁与反铁磁”二分法遗漏了一大类磁性结构。

钴、钽和硒原子分别用蓝色、绿色和灰色表示。(Sprague et al., Nat. Commun. , 2026)

这一理论框架在近几年才逐渐成形，2024年前后，碲化锰、锑化铬等材料中陆续出现了实验证据。

不过，目前被确认的交错磁体数量仍然有限，每增加一位新成员，都有助于科学家摸清这类磁性的普遍规律。

中佛罗里达大学团队的贡献，正是为这个稀少的“家族”找到了一位新成员。Co₁/₄TaSe₂是在层状的二硒化钽晶体中，插入了规则排列的钴原子。

二硒化钽本身就是凝聚态物理学家的“老朋友”，以电荷密度波等奇特电子行为著称。钴原子的加入，为这种材料引入了局域磁矩，也为交错磁性的出现创造了条件。

为了得到高质量的晶体，研究人员将原料加热到900摄氏度以上，并持续烘烤两周之久。

随后，他们利用角分辨光电子能谱技术对材料进行了“体检”。

这种技术用高能光子把电子从材料表面打出来，通过测量电子的能量和飞出角度，就能重建材料内部的电子能带结构。

交错磁性的关键证据，就藏在这些能带的细节之中。如果不同自旋的电子在动量空间中呈现出特定对称分布的能量分裂，就说明材料具备交错磁体的“指纹”。

实验观测结合量子理论建模，研究人员在这种材料中看到了交错磁性所特有的自旋劈裂能带特征。

研究团队表示，这类材料能够在不产生杂散磁场的情况下产生和探测自旋电流，因此非常适合用于自旋电子学、超快存储以及太赫兹通信网络等领域。

离改变芯片还有多远

自旋电子学的核心思路，是用电子的自旋而不仅仅是电荷来存储和处理信息。它有望带来速度更快、能耗更低的存储器和逻辑器件。

由于没有杂散磁场，交错磁体可以把存储单元排得更加紧密。

同时，这类材料的自旋动力学通常比铁磁体更快，有望把器件的运行频率推向太赫兹量级。

在人工智能和大数据推动算力需求暴涨的当下，数据中心的能耗问题日益突出。任何能够显著降低存储和计算功耗的新材料，都可能具有巨大的产业价值。

除了数据存储和低功耗电子器件，研究人员还提到了它在医学技术等领域的潜在用途。

不过，从实验室里的一块晶体到芯片中的实用器件，仍有很长的路要走。

交错磁性的根本起源，以及材料中电子之间复杂的相互作用机制，都还需要进一步研究。

材料能否在室温下稳定工作、能否与现有的半导体工艺兼容，也是商业化必须跨过的门槛。

从指南针到硬盘，人类对磁性的每一次深入理解，都曾催生出改变世界的技术。如今，磁性家族的“第三种性格”正在被逐步揭开，它或许正悄悄孕育着下一场电子技术革命。