SLAC研究团队首次证实第三种磁性相altermagnetism存在

SLAC的研究人员找到了交替磁性这种新磁性相的证据。

团队在一种交替磁性候选材料中直接观察到了一种独特性质，为一个2022年首次提出的新磁性相提供了关键证据。

几十年来，物理学家只认识到材料中在没有外部影响下会出现的两种磁性：铁磁性和反铁磁性。如今，在发表于《Science》的 findings 中，由美国能源部SLAC国家加速器实验室领导的一个团队提供了确凿的实验证据，证明存在第三种磁性相——交替磁性。

“在过去几年里，科学家观察到了无法整齐归入铁磁性—反铁磁性二分法的现象，”第一作者、SLAC和斯坦福材料与能源科学研究所的副科学家Daniel Jost解释说。“研究人员一直在积累证据，指向第三种磁性类型，它桥接了两类磁性的特征。我们相信我们的结果为这第三相——交替磁性——是真实存在的提供了坚实的实验确认。”

在既有研究的基础上，这项研究确认碲化锰（MnTe）是一种交替磁体——一类既表现出铁磁性又表现出反铁磁性的新型磁体。他们的结果给出了直接实验证据，证明交替磁性候选材料的自旋中存在手性——一种不对称的磁结构，类似螺旋楼梯或螺丝。

识别这些独特材料，可能让研究人员能够以使其成为先进电子学理想候选者的方式操控其性质，应用包括量子技术、存储器件和数据中心。

对我们大多数人来说，磁性是一种可感知的力：它能把孩子的画作固定在冰箱门上，也能让指南针指向北方。但对物理学家来说，磁性更为复杂。它是材料的一种量子性质，而且并非所有磁性材料都有可直接观测到的磁效应。

在物理学中，如果材料中电子的自旋——其内部角动量，可以是“上”或“下”——发生极化，或按特定模式有序排列，那么这种材料就被认为具有磁性。

在铁磁体中，所有电子自旋都指向同一方向（上-上-上或下-下-下），从而产生可观测的磁场。人类自古以来就认识并利用了这类磁体。1933年，科学家发现了另一种具有极化自旋的材料。反铁磁体具有交替的电子自旋（上-下-上-下），彼此抵消，不产生净磁效应。

近90年来，这种两分类体系主导了我们对磁性的理解。

但近年来，研究人员注意到，有些材料无法整齐地归入这两类中的任何一类。某些材料似乎同时表现出反铁磁性的特征，例如自旋构型交替且没有净磁化，以及铁磁性的特征，例如能够利用自旋流。这些行为曾被认为彼此互斥。

2022年，研究人员提出了“交替磁体”这一术语，用来标记这类难以归类的材料。

我们相信我们的结果为这第三相——交替磁性——是真实存在的提供了坚实的实验确认。

为了解释这种行为，研究人员假设交替磁体表现出交替的自旋极化（上-下-上-下），很像传统反铁磁体，但有一个关键变化：“上”自旋周围的晶格结构相对于“下”自旋周围的晶格发生了旋转。这种几何扭转是一种对称性破缺，可能正是其反常行为的来源。

“到2024年，已经有一些因素强烈支持交替磁性是真实存在的，”Jost说，“但拼图中仍缺一块。”

缺失的那一块，是交替磁性候选材料中存在手性的实验证据。手性常被称为“ handedness”，意味着材料无法与其镜像重合，就像左手无法戴进右手手套一样。

手性提供了一种巧妙方法，可以区分反铁磁体与疑似交替磁体之间微妙的量子层面差异：交替磁性材料会像反铁磁体一样具有交替自旋（上-下-上-下），但其晶格中的几何扭转会赋予材料的电子和磁结构一种传统反铁磁体所缺乏的独特 handedness。

Jost的团队选择研究MnTe中的手性——这种材料几十年来一直被认为是反铁磁性的，直到几年前才被怀疑具有交替磁性。团队将其带到法国的欧洲同步辐射设施（ESRF），使用一条以能够产生高度可控偏振X射线束而闻名的光束线。

“手性材料对左旋偏振X射线束的散射方式与对右旋光束不同，”Jost解释说。“非手性材料则会以相同方式散射每一种光束。”

通过让圆偏振X射线从材料上散射，并比较它对左旋和右旋光的响应，他们分离出了一个清晰的 chiral 信号，而这种信号本不应存在于传统反铁磁体中。

“这一手性特征给了我们坚实的实验基础，使我们能够说交替磁性自成一类，”Jost说。最初的实验于2024年完成；团队在2025年初重复了实验，确认了先前的结果。

“这项技术帮助我确认碲化锰确实表现出了交替磁性性质，”ESRF博士后科学家Rachel Nickel说。她是共同作者，帮助设计并在ID32光束线上开展了这项实验。“交替磁性只是在几年前才被提出，而确认这些模型的进展速度令人难以置信。”

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）