【科技創(chuàng)新世界潮】（401）
◎本報(bào)記者劉霞
大多數(shù)人認(rèn)為世界上僅有鐵磁體和反鐵磁體兩種磁體。但近年來，有科學(xué)家指出，磁體家族或存在一些新成員，如兼具鐵磁體和反鐵磁體兩者特性的交錯(cuò)磁體。
中國南方科技大學(xué)物理系教授劉奇航對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者表示：“以交錯(cuò)磁體為代表的新型磁體有潛力為人類研制下一代信息設(shè)備提供新選擇。這類材料有望用于研制新型存儲(chǔ)設(shè)備或磁性計(jì)算機(jī)，助推人類現(xiàn)代生活邁上新高度。”
交錯(cuò)磁體“浮出水面”
劉奇航介紹道：“材料磁性主要源自內(nèi)部電子的一種量子力學(xué)行為，這被稱為自旋。在沒有磁性的材料中，原子內(nèi)相同軌道上的電子總是‘成雙成對(duì)’，這些成對(duì)的電子自旋方向相反，各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，因此材料整體上不會(huì)顯現(xiàn)磁性。”
“然而，鐵、鎳、鈷以及很多稀土金屬等，其原子最外層有大量未成對(duì)的電子，一旦這些電子的自旋指向相同方向且排列對(duì)齊，就會(huì)產(chǎn)生整體磁矩，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。鐵和鎳等內(nèi)部相鄰電子自旋方向一致且排列整齊的磁體，被稱為鐵磁體。”劉奇航進(jìn)一步解釋道。
除用于指南針指示方向外，隨著技術(shù)的發(fā)展，鐵磁體的應(yīng)用范圍也延伸至電機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域。以計(jì)算機(jī)的磁性存儲(chǔ)單元為例，鐵磁體內(nèi)電子的自旋可通過施加外部磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生不同磁態(tài)。這些磁態(tài)能被記錄為“1”和“0”，成為硬盤以及磁式存儲(chǔ)器的物理基礎(chǔ)。
鐵磁體的自旋特征也催生了自旋電子學(xué)這一新興研究領(lǐng)域。與傳統(tǒng)電子設(shè)備僅利用電子電荷不同，自旋電子學(xué)設(shè)備還能利用電子的自旋態(tài)來存儲(chǔ)和處理信息。由于自旋電流產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)低于電流，此類設(shè)備因此具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。
上世紀(jì)30年代，法國物理學(xué)家路易·內(nèi)爾發(fā)現(xiàn)了反鐵磁體，并因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
反鐵磁體內(nèi)相鄰電子的自旋方向相反（上下交替），產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，因此不具備鐵磁體的外部磁場(chǎng)，從而難以像鐵磁儲(chǔ)存介質(zhì)那樣實(shí)現(xiàn)信息的寫入和讀取。雖然科學(xué)家對(duì)反鐵磁體開展了大量研究，不過尚未為其在日常生活中找到“用武之地”。
劉奇航表示：“自2019年起，就有多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，某些反鐵磁體晶體結(jié)構(gòu)中會(huì)呈現(xiàn)出鐵磁體的某種性質(zhì)，即相反自旋電子的能量不同，可以被區(qū)分出來。”
德國美因茨大學(xué)科學(xué)家在此基礎(chǔ)上提出了一種新型磁體——交錯(cuò)磁體。
多個(gè)團(tuán)隊(duì)競(jìng)相研究
近年來，有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了在理論上和實(shí)驗(yàn)中符合交錯(cuò)磁體特征的物質(zhì)。
去年2月，瑞士保羅·謝勒研究所科學(xué)家尤拉伊·克瑞姆帕斯基及其同事在《自然》雜志刊發(fā)論文稱，他們利用瑞士同步輻射光源，測(cè)量了光在碲化錳上的反射情況，從而推導(dǎo)出晶體內(nèi)電子的能量和速度分布。結(jié)果顯示，電子的圖譜與交錯(cuò)磁體的理論模擬結(jié)果高度吻合。克瑞姆帕斯基表示，他們的這一研究提供了交錯(cuò)磁體存在的直接證據(jù)，且其行為與理論預(yù)測(cè)完全吻合。
值得關(guān)注的是，來自南方科技大學(xué)的劉暢、劉奇航團(tuán)隊(duì)與來自中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員喬山團(tuán)隊(duì)，也在二碲化錳中觀測(cè)到了這種獨(dú)特的自旋電子結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究論文發(fā)表于同一期《自然》雜志。
日本東京大學(xué)教授關(guān)真一郎團(tuán)隊(duì)去年12月在《自然·材料學(xué)》上發(fā)表論文稱，他們已經(jīng)證明，硫化鐵是一種交錯(cuò)磁體，其具有鐵磁體和半導(dǎo)體的性質(zhì)，能存儲(chǔ)數(shù)字信息并一直保存。關(guān)真一郎表示，迄今被認(rèn)為是反鐵磁體的物質(zhì)中，約一成可能是交錯(cuò)磁體。
美國《科學(xué)》雜志將證明交錯(cuò)磁體存在的實(shí)驗(yàn)選為2024年十大突破之一。
新型器件呼之欲出
交錯(cuò)磁體究竟有何實(shí)際用途呢？科學(xué)家紛紛給出了令人振奮的答案。
深入研究交錯(cuò)磁體，有望催生新型磁性電子元件和高容量快速存儲(chǔ)設(shè)備。
劉奇航解釋說：“傳統(tǒng)鐵磁體存儲(chǔ)器周圍形成的磁場(chǎng)會(huì)相互干擾，因此這些元件必須保持安全距離。而交錯(cuò)磁體不產(chǎn)生外部磁場(chǎng)，可用于制造互不干擾的磁性存儲(chǔ)器”。這種特性使元件能夠更緊密地“偎依”在一起，為設(shè)備小型化開辟新路徑，同時(shí)還能大幅降低響應(yīng)速度，顯著降低處理信息的能耗。
美因茨大學(xué)物理學(xué)家漢斯-約阿希姆·愛默思也認(rèn)為，基于交錯(cuò)磁體制造的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，可利用電子的磁矩非電荷來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這不僅能顯著提升存儲(chǔ)容量，還能使信息讀取變得更加便捷高效。
英國利茲大學(xué)的約瑟夫·巴克則表示，交錯(cuò)磁體有助研制出新型磁性計(jì)算機(jī)，其使用磁自旋而非電流進(jìn)行計(jì)算，能顯著降低芯片的熱損耗。
劉奇航強(qiáng)調(diào)：“交錯(cuò)磁體不僅給自旋電子學(xué)注入了全新活力，更將助推人類對(duì)磁性本質(zhì)的深入探索，甚至革新物理學(xué)家描述磁性的理論框架”。他認(rèn)為，交錯(cuò)磁體只是非常規(guī)磁性家族的重要成員，但非唯一一員。今年初，劉奇航團(tuán)隊(duì)連續(xù)在《自然·物理》與《自然》雜志發(fā)表論文，對(duì)非常規(guī)磁性這一新興領(lǐng)域進(jìn)行了展望。
隨著交錯(cuò)磁體等新型磁體的陸續(xù)“現(xiàn)身”，對(duì)其研究也在不斷深入，一個(gè)嶄新的磁學(xué)時(shí)代正拉開帷幕。
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