吉林
提起磁性，大多数人想到的是冰箱贴上的铁磁体。
在物理学中，长期以来人们主要把磁性分为两大类：铁磁性和反铁磁性。
近年来，科学家提出了一种新的磁性形态——交错磁性。它被视为磁性家族中的“第三种成员”。
几年前，理论物理学家预言了这种磁性的存在，随后实验学家开始在各种材料中寻找它的踪迹。实验证据一直颇为稀少。
美国中佛罗里达大学的马达布·纽帕内教授及其合作者，在一种层状材料中找到了交错磁性的实验证据。
相关成果发表在《自然·通讯》上。
这一发现有望为下一代节能电子器件和计算技术开辟新路径。它让人们看到了新的可能。
在芯片能耗日益成为瓶颈的今天，这样的发现格外引人关注。
兼得两家之长的磁性
要理解交错磁性，先要了解两种传统磁性。它们各有优缺点。
我们可以把每个原子想象成一个小小的指南针，磁性就取决于这些“小指南针”如何排列。排列不同，性质便迥异。
铁磁体中，原子的磁矩方向一致，整体表现出明显的磁性。它能产生自旋流，但也会产生向外扩散的杂散磁场。
反铁磁体中，相邻原子的磁矩方向相反、相互抵消，几乎没有杂散磁场。但它通常难以产生和检测自旋流。
交错磁性则巧妙地兼具两者的优点：它的净磁矩为零，不产生杂散磁场，却能像铁磁体一样产生和检测自旋流。
正是这种“两全其美”的特性，让交错磁性成为近年来凝聚态物理领域最受关注的研究方向之一。
其中的奥秘在于晶体结构的特殊对称性，使得相反自旋的电子在动量空间中呈现出不同的能量分布。
纽帕内表示，这类材料与传统反铁磁体的区别在于，它们能够在不产生杂散场的情况下产生和检测自旋流。
这正是它最吸引人的地方。
打个比方，铁磁体像一个大声说话的人，信息传得远但容易干扰别人；反铁磁体安静却难以交流；交错磁体则能“悄悄传话”。
在超薄材料中捕获证据
研究团队选择的材料是一种名为Co1/4TaSe2的过渡金属二硫族化合物。它属于一类重要的层状材料。
这种材料由一层层原子薄片堆叠而成，厚度极薄，而且性质高度可调。就像一本由原子组成的书。
过渡金属二硫族化合物是材料科学中的明星家族，以层状结构和丰富的电子性质著称。
研究人员利用角分辨光电子能谱及其自旋分辨版本，观察材料内部电子的行为。这是研究电子结构的利器。
这种方法用光子照射材料，把电子“打”出来，再测量电子飞出的方向和能量，从而还原材料内部的电子结构。
这些技术就像给电子拍“身份证照片”，可以同时记录电子的能量、动量和自旋方向。其精度极高。
结果显示，材料的电子能带出现了独特的分裂，而且分裂开的能带具有相反的自旋极化。这正是交错磁性的标志性特征。
这种自旋分裂并非来自外加磁场，而是材料自身磁有序结构的产物。
由于这种材料超薄且易于调控，研究人员可以通过改变其结构，观察电子和磁性性质如何随之变化。
这为深入研究交错磁性提供了理想平台。
未来计算的新希望
这一发现的应用前景，主要集中在自旋电子学领域。这是一个快速发展的研究领域。
传统电子器件依靠电子的电荷来传递信息，而自旋电子学则利用电子的自旋，有望实现更快、更省电的信息处理和存储。
这一思路已被研究多年。
电子除了带电，还像一个小陀螺一样拥有自旋，自旋的方向可以用来表示0和1。利用自旋，就能存储和传递信息。
交错磁体不产生杂散场，意味着器件可以排列得更加密集，彼此之间不会相互干扰。这对于提高芯片集成度十分重要。
此外，这类材料的磁性翻转速度可能更快，有望带来更高的运算速度。
随着人工智能和大数据的发展，计算的能耗问题日益突出。寻找更节能的计算技术，已成为全球科研界的重要课题。
数据中心的耗电量快速增长，已成为全球能源消耗中不可忽视的一部分。节能计算迫在眉睫。
这项研究得到了美国能源部科学办公室的资助。这体现了基础研究在国家科技战略中的地位。
当然，从实验发现到实际应用，交错磁性还有很长的路要走。
但每一次实验证据的积累，都在让这种“第三种磁性”离现实更近一步。
未来，研究人员还需要在室温稳定性、规模化制备等方面取得突破。
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