瑞士光源SLS的实验证明了一种新型磁力的存在，这对技术和研究具有广泛的意义。
现在，磁性家族中又增加了一个新成员：由于瑞士光源SLS的实验，研究人员已经证明了交变磁性的存在。 发表在《自然》杂志上的这一新磁学分支的实验发现标志着对自旋电子学具有重要意义的新基础物理学。
磁性不仅仅是粘在冰箱上的东西。 这种理解是在近一个世纪前发现反铁磁体时产生的。 从那时起，磁性材料家族就分为两个基本阶段：几千年来已知的铁磁分支和反铁磁分支。 磁学的第三个分支，称为交变磁学，由捷克科学院和保罗·谢勒研究所（PSI）领导的国际合作中，通过瑞士光源（SLS）进行的实验进行了证明。
基本磁相由磁矩（或电子自旋）和晶体中携带磁矩的原子的特定自发排列定义。 铁磁体是粘在冰箱上的磁铁类型：这里的自旋指向同一方向，产生宏观磁性。 在反铁磁材料中，自旋指向交替方向，结果是材料没有宏观净磁化强度，因此不会粘在冰箱上。 尽管其他类型的磁性，如抗磁性和顺磁性，已被分类，但这些磁性描述了对外部施加磁场的特定响应，而不是材料中的自发磁序列。
交替磁铁具有自旋排列和晶体对称性的特殊组合。 自旋交替，就像在反铁磁体中一样，不会产生净磁化。 然而，这些对称性不是简单地抵消，而是给出了具有强自旋极化的电子带结构，当您穿过材料的能带时，电子带会沿方向翻转——因此得名交变磁铁。 这导致了非常有用的特性，这些特性更类似于铁磁体，以及一些全新的特性。
这第三个磁性兄弟在下一代磁性存储器技术（称为自旋电子学）的发展领域具有明显的优势。 电子学仅使用电子的电荷，而自旋电子学也使用电子的自旋态来携带信息。
尽管 Spintronics 多年来一直承诺要彻底改变 IT，但它仍处于起步阶段。 一般来说，铁磁体已被用于此类设备中，因为它们提供了某些非常理想的强自旋依赖物理学。 然而，在许多其他应用中有用的宏观净磁化强度对这些器件的可扩展性造成了实际限制，因为它会导致比特之间的串扰，比特是数据存储中的信息承载元件。
最近，反铁磁体被研究用于自旋电子学，因为它们受益于没有净磁化强度，因此具有超强的可扩展性和能源效率。 然而，缺乏在铁磁体中非常有用的强自旋依赖效应，再次阻碍了它们的实际适用性。
在这里，我们进入了具有两者优点的交变磁体：零净磁化强度和铁磁体中常见的令人垂涎的强自旋依赖现象——这些优点被认为基本上是不相容的。
这就是交替磁铁的魔力，“捷克科学院物理研究所该研究的首席研究员TomáJungwirth说。 “在最近的理论**之前，人们认为不可能的事情实际上变成了可能。
不久前，人们开始抱怨一种新型磁性潜伏着：2019年，Jungwirth与捷克科学院和美因茨大学的理论同事一起，发现了一类具有自旋结构的磁性材料，这些材料不符合铁磁性或反铁磁性的经典描述。
2022 年，理论家发表了他们关于交变磁存在的**。 他们已经确定了200多种替代磁性候选材料，从绝缘体和半导体到金属和超导体。 这些材料中有许多在过去是众所周知的，并且已经被广泛探索，但它们的交变磁性尚未被注意到。 由于交替磁学带来了巨大的研究和应用机会，这些**在社区中引起了极大的兴奋。 搜索开始了。
要获得交变磁体存在的直接实验证据，需要证明交变磁体中独特的自旋对称性。 证据来自SIS（Cophee终端站）和ALS的Adress光束线的自旋和角度分辨光学发射光谱。 这种技术使研究小组能够可视化疑似交变磁体的电子结构中的一个明显特征：对应于不同自旋状态的电子带**，称为Kramers自旋简并的促进。
这一发现是在碲化锰晶体中发现的，碲化锰是一种众所周知的简单双元素材料。 传统上，这种材料被认为是一种经典的反铁磁体，因为相邻锰原子上的磁矩指向相反的方向，产生消失的净磁化强度。
“现在我们已经公开了它，世界各地的许多人将能够完成这项工作。 ”然而，反铁磁体不应表现出较高的磁序克莱默斯自旋偏移，而铁磁体或交变磁体应该。 当科学家们看到克莱默斯自旋简并的隆起，伴随着消失的净磁化强度时，他们知道他们正在研究另一个磁铁。
由于我们测量的高精度和灵敏度，我们可以检测到对应于相反自旋态的能级的特征交替**，从而证明碲化锰既不是传统的反铁磁体也不是传统的铁磁体，而是磁性材料的新交变磁分支，“PSI光束线光学小组的光束线科学家Juraj Krempasky说。 该研究的第一作者。
Bootstrap 程序 做出这一发现的光束线现在已被拆解，等待 SLS 20 升级。 经过二十年的成功科学研究，Cophee终端站将完全集成到新的“Quest”光束线中。 “正是在cophee的最后一个光子中，我们进行了这些实验。 我们很高兴他们取得了如此重要的科学突破，“Krempasky补充道。
研究人员认为，磁学的这一新基础发现将丰富我们对凝聚态物理学的理解，并对不同的研究和技术领域产生影响。 除了在发展中的自旋电子学领域的优势外，它还通过对不同磁性材料中可能出现的超导态的新见解，为探索非常规超导性提供了一个有前途的平台。
交变磁性其实并不是一件很复杂的事情。 几十年来，它在我们眼前完全是基本的东西，却没有注意到它，“Jungwirth说。 “这不仅仅是在少数晦涩难懂的材料中。 它存在于人们只是放在抽屉里的许多水晶中。 从这个意义上说，既然我们已经公开了它，世界各地的许多人将能够致力于它，并有可能产生广泛的影响。
参考资料： “Altermagnetic lifting of kramers spin degeneracy” by J krempaský， l. šmejkal， s. w. d'souza， m. hajlaoui， g. springholz， k. uhlířová， f. alarab， p. c. constantinou， v. strocov， d. usanov， w. r. pudelko， r. gonzález-hernández， a. birk hellenes， z. jansa， h. reichlová， z. šobáň，r. d. gonzalez betancourt， p. wadley， j. sinova， d. kriegner， j. minár， j. h.DIL 和 T荣格沃斯，2024 年 2 月 14 日，《自然》。
doi： 10.1038/s41586-023-06907-7
编译自：科技日报