参考消息网8月20日报道英国《新科学家》周刊网站7月15日刊登题为《我们发现了一种新磁性，它能为我们带来什么？》的文章，作者是 杰克琳·关，内容编译如下：

任职于德国约翰内斯·谷登堡美因茨大学的利博尔·什梅伊卡尔十分喜爱荷兰艺术家M.C.埃舍尔的作品。埃舍尔的创作常从数学中汲取灵感。什梅伊卡尔最喜爱的埃舍尔作品之一是《骑手》。这幅不同寻常的画以一系列精致的骑马人物镶嵌图形为特色。有意思的是，正是这幅作品启发什梅伊卡尔预言了一种全新磁性的存在。

人类对磁体的认识已有数千年历史。如今，磁体位于众多现代技术的核心，发电机、智能手机、扬声器和医院扫描仪等设备都离不开它。然而，百年来，我们始终对磁体缺乏全面认识。我们一直认为磁性只有两种。直到2022年，得益于什梅伊卡尔在艺术启发下获得的洞见，这种观念才被推翻。

时至今日，我们已经知道，什梅伊卡尔所谓的“交错磁体”并非空想。我们已发现真实的例子，并正在研究如何以实用的方式制造这种新型材料。甚至存在这样一种可能性，这些磁体将帮助我们打造一种全新的计算机。什梅伊卡尔说：“交错磁体实际上可以实现现有设备的所有功能，但速度更快、能耗更低、体积更小。”

要理解磁性及其重要性，我们需要从原子中高速运动的电子说起。每个电子都具有一种内在的量子特性，称为“自旋”。日常生活中见不到类似现象，但你可以将其想象成一个微型陀螺，能沿两个方向旋转，科学家将这两个方向称为“上”或“下”。

电子倾向于成对绕原子运行，一个自旋向上，一个自旋向下，因此自旋会相互抵消。但情况并非总是如此，因为有时电子会单独存在。由于没有其他电子抵消其自旋，未配对电子会赋予原子所谓的“磁矩”：同自旋一样，磁矩也有上下之分，并决定着原子的磁性。如果足够多原子的磁矩指向同一方向，它们就会产生强大的定向磁场。这被称为“铁磁性”。古希腊人就已知晓这一现象，他们发现有些岩石能吸引铁钉或铁屑。制作成冰箱贴的磁体内部也存在这种现象。

铁磁体很容易识别，因为它们会吸引或排斥其他磁性材料，如镍或钴。但还有另一种更微妙的磁性，直到20世纪30年代才为人发现。反铁磁体也有磁矩箭头，但这些箭头并不指向相同的方向，而是交错变化，最邻近的两个箭头指向相反方向：想象一排箭头依次指上、指下、上、下、上、下……。其结果是一种磁僵局：固体在原子层面具有磁序，但在普通物体尺度上没有统一的可检测的磁性。

物理学家路易·奈尔提出了一种思维模型，设想磁体内部存在许多指上、指下的微型箭头。他提出了第一个反铁磁性理论(在后续的数十年中得到实验证实)，并因此获得了1970年诺贝尔物理学奖。

磁对称性

近百年来，人们一直认为磁性只有这两种，这倒是简单明了。2018年，什梅伊卡尔开始怀疑事情并非如此简单。当时，他还是捷克共和国首都布拉格的一名年轻博士生，正研究反铁磁体中一种名为“反常霍尔效应”的奇特现象。什梅伊卡尔的突破在于，他意识到这种效应以及类似的神秘磁性难题无法用奈尔开发的模型来解释，他需要超越这一模型。

这就不得不提到埃舍尔1946年的作品《骑手》了。画中的骑士以交替的颜色巧妙拼接在一起，呈现出精致优美的对称性。取其中一个浅色骑士形象，将其翻转、稍微侧移一下并改变颜色，就能与一个深色骑士形象重合。对着这幅作品陷入沉思的什梅伊卡尔意识到，有另一种数学方法可以描述这种对称操作。他说：“我意识到，实际上可以用另一种方式定义这种操作，这种颜色或方向的改变。”

理解对称性在物理学中一直至关重要，在材料科学中尤其如此。在材料科学中，不同种类原子之间的复杂关系最好用对称性来描述。事实上，奈尔有关原子磁矩的思想模型的核心就是对称性。但通过将他的新数学方法用作框架，什梅伊卡尔开始扩展奈尔的模型：首先从二维扩展到三维，其次将无磁矩的原子纳入考量。

在这一过程中，一种新的可能性开始显现。相邻原子的磁矩仍可以像反铁磁体中那样指向相反方向：上、下、上、下……但每隔一个的原子会旋转90度(即就相邻两个原子而言，它们的磁矩箭头所指方向相反，同时一个原子与另一个原子相比旋转了90度)，“交错磁体”由此得名。什梅伊卡尔说，这种旋转可能是由于磁性原子存在于大量非磁性原子中而产生的。尽管箭头仍然交替着指上和指下，但旋转的原子会产生一种微妙的效应，使部分磁性得以渗漏出来。

这一切最初是为了解决一组特定的磁性难题，但什梅伊卡尔说，其意义远不止于此：这预示可能存在一种全新磁性。交错磁体像反铁磁体一样没有净磁性，但又具备使铁磁体在技术中大有用途的某些量子特性。2022年，什梅伊卡尔及其同事发表了交错磁性的“完整数学框架”。他说：“整个学界都相当兴奋，因为这些系统似乎结合了铁磁体和反铁磁体的宝贵优势。”

证实存在

这一预言仅过了两年就得到证实。2024年，瑞士谢乐研究所的尤莱·克伦帕斯基及其同事对碲化锰进行了研究，这种化合物被认为具有产生交错磁性的合适结构。为了验证这一点，他们用光束追踪这种材料内部电子的精确运动。结果发现，这些运动与交错磁体内部相关电子运动的模拟结果非常吻合。

第三种磁性的发现本身就意义重大，而更令人兴奋的是，它可能解决一个长期存在的技术难题。要理解其中缘由，我们需要略微了解计算机如何存储信息。如今，计算机一般通过芯片存储信息，本质上通过电荷的有无来表示数字0或1。但研究人员长期以来也一直对利用磁性存储信息的想法很感兴趣。20世纪90年代使用的软盘就是基于磁性原理工作的。较近时期出现的概念“自旋电子学”则更进一步：不仅利用电荷的有无，还利用电子的自旋来存储信息。

理论上，自旋电子学能让我们在计算机内存中存储更多信息，从而提高存储效率。但一直存在一个大问题。要让自旋电子学发挥作用，我们需要某些材料，在这些材料中，向上自旋和向下自旋可被分离成独立的部分。在什梅伊卡尔的大学研究小组工作的安娜·赫勒内斯用一个满是舞者的舞厅来打比方。在非磁性材料中，所有顺时针或逆时针跳华尔兹的伴侣(即自旋向上或向下的电子)在舞池中混杂在一起。她说：“但如果存在自旋劈裂，朝一个方向旋转的舞者就能与朝另一个方向旋转的舞者分开，各自起舞。”

问题在于，这种自旋劈裂效应（制造所有自旋电子设备的基础）以前只在铁磁材料中发现过。这是有道理的，因为铁磁体中所有磁矩箭头都指向同一方向，因此自旋指向所有这些累积箭头方向的电子，与自旋指向相反方向的电子所处的环境会略有不同。但如果你试图将大量铁磁体集成到一块微型芯片上，它们就会如你所料地相互吸引或排斥。因此，赫勒内斯说，自旋电子学的应用遇到了瓶颈。

制造设备

交错磁体能否解决这一问题？美国乔治·梅森大学的物理学家伊戈尔·马津说：“交错磁体这种独特的特性组合（没有净磁化强度，但仍有自旋劈裂能带）可能对制造自旋电子设备非常有利。”

自从2024年碲化锰被证实具有交错磁性以来，研究人员就一直忙于尝试制造具有这种奇特特性的新材料。一种方法是选取已知的反铁磁体，对其施加机械应力，希望能改变其内部的磁对称，从而诱导产生交错磁性。2024年，什梅伊卡尔研究小组的阿塔西·查克拉博蒂带领研究人员证明，对人们早就知道的反铁磁体二氧化铼施加压缩应力，能使其转变为交错磁性状态。

此外，中国北京理工大学的三位研究人员意识到，还可以通过将反铁磁体夹在不同材料层之间(就像三明治一样)来产生合适的内部磁性扰动。顶层和底层会诱导内部电场，模拟天然交错磁体的晶体环境。

然而，研究人员倾向于认为，这些巧妙的方法可能不会很快带来可规模化生产的交错磁体，因为这些方法实施起来难度很大。我们反而似乎更有可能通过寻找天然存在的交错磁体来获得实用材料。英国诺丁汉大学的研究人员奥利弗·阿明说：“对于未来10年交错磁性的前景，我完全可以预见这些材料将变得具有商业可行性。”碲化锰被证实为交错磁性材料后，阿明制作了首张碲化锰实验图像。在去年12月发表的一篇论文中，他的团队证明，研究人员不仅能观察到赋予这种材料磁性的结构，还能通过在磁场中对材料进行加热和冷却来控制这些结构的方向和布局。诺丁汉大学的论文合著者艾尔弗雷德·达尔·丁说：“这是将这些材料转化为制造各种设备所需实用材料的第一步。”

有些类型的原子结构可能表现出这种新磁性，而我们具备这类原子结构的优良计算模型。什梅伊卡尔及其同事利用这些模型对可能的材料进行了数字筛选。他们已经确定了至少200种候选材料，并在他们发表具有里程碑意义的交错磁性论文后不久公布了这些材料。通过实验对所有这些候选材料进行确认需要时间，但我们已经知道，除了碲化锰，还有强有力的证据表明二氧化钌也是一种交错磁体。

除了是唯一经过认证的真正交错磁体，碲化锰还是一种成熟的材料，科学家知道如何在实验室中高质量地培育它。阿明说：“我们现在正在研究的这种碲化锰已被人研究了至少20年，或许更久。”

新的惊喜

就在研究人员努力攻克交错磁体相关课题之际，什梅伊卡尔又带来了新的惊喜。在一篇尚未经过同行评议的论文中，他和同事预测了另一种磁性的存在，他称其为“反交错磁性”。

在具有这种奇特特性的材料中，相邻的自旋不只是像反铁磁体中那样上与下交替出现，还会形成锯齿状。想象一下微小的箭头彼此相邻，第一个指向西北，第二个指向东北，第三个指向东南，第四个指向西南，勾勒出锯齿状轨迹。相邻的箭头呈镜像对称，因此所有镜像对的方向在叠加后会相互抵消，这与反铁磁体的情况一致。但什梅伊卡尔说，这种镜像模式会微妙地影响电子在材料中的运动方式，并且也会导致自旋劈裂。

“反交错磁性”的理念以复杂而优美的对称性为基础。在其工作的早期，什梅伊卡尔就对这些对称性很是着迷。

或许我们可以说，磁体就像他钟爱的埃舍尔艺术作品：观察得越多，就会发现越多令人欣喜的细节。（编译/朱捷）