SLAC团队首次实验证实第三种磁性相altermagnetism存在

SLAC的研究人员找到了交变磁性的证据，这是一种新的磁性相态。

该团队直接在一种交变磁性候选材料中观测到了一种独特的性质，为2022年首次提出的一种新磁性相态提供了关键证据。

几十年来，物理学家只认识到材料中在没有外部影响的情况下存在的两种磁性：铁磁性和反铁磁性。如今，在发表于《Science》上的研究结果中，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态，称为交变磁性。

“在过去几年里，科学家们观测到了一些无法整齐地归入铁磁性-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，证明存在一种弥合这两类特性之间的第三种磁性。我们相信我们的结果为这第三种相态——交变磁性——是真实存在的提供了强有力的实验确认。”

在以往研究的基础上，这项研究确认碲化锰（MnTe）是一种交变磁体——一类新型磁体，同时表现出铁磁性和反铁磁性的特性。他们的结果显示了直接实验证据，证明一种交变磁性候选材料的自旋中存在手性——一种不对称的磁结构，类似于螺旋楼梯或螺丝。

识别这些独特的材料可以使研究人员能够以使其成为先进电子学理想候选材料的方式操纵其性质，应用包括量子技术、存储设备和数据中心。

对我们大多数人来说，磁性是一种有形的力：它能让孩子的画作贴在冰箱门上，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，并非所有磁性材料都具有可直接观测的磁效应。

在物理学中，如果材料中电子的自旋——它们的内禀角动量，可以是“上”或“下”——被极化，或以特定模式有序排列，则该材料被认为是磁性的。

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），产生可观测的磁场。人类自古以来就认识并利用这类磁体。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，研究人员注意到一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，例如交替自旋构型且无净磁化，以及铁磁性的特征，例如利用自旋流的能力。这些行为曾被认为是互斥的。

2022年，研究人员提出了“交变磁体”这一术语来标记这一类难以归类的材料。

我们相信我们的结果为这第三种相态——交变磁性——是真实存在的提供了强有力的实验确认。

为了解释这种行为，研究人员假设交变磁体表现出交替的自旋极化（上-下-上-下），与传统反铁磁体非常相似，但有一个关键的不同之处：“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。这种几何扭曲是一种对称性破缺，可能正是其不寻常行为的来源。

“到2024年，有一些因素强烈支持交变磁性是真实的，”Jost说，“但这个谜题仍然缺少一块拼图。”

那块缺失的拼图就是交变磁性候选材料中手性的实验证据。手性，通常被称为“旋向性”，意味着一种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的方法来区分反铁磁体和疑似交变磁体之间微妙的量子层面差异：虽然交变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曲会赋予该材料的电子和磁结构一种传统反铁磁体所缺乏的独特旋向性。

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，直到几年前被怀疑是交变磁性的。该团队将其带到法国欧洲同步辐射设施（ESRF），使用一条以能够产生高度可控的偏振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右旋光束不同，”Jost解释说。“非手性材料会以相同的方式散射每种光束。”

通过从材料上散射圆偏振X射线并比较其对左旋和右旋光的响应方式，他们提取出了一个清晰的 chiral 信号，而这种信号在传统反铁磁体中不应存在。

“这一手性特征为我们提供了坚实的实验基础，使我们能够说交变磁性自成一类，”Jost说。最初的实验于2024年完成；该团队在2025年初重复了实验，确认了之前的结果。

“这项技术帮助我们确认碲化锰确实表现出了交变磁性特性，”ESRF的博士后科学家Rachel Nickel说，她是共同作者，帮助设计和在ID32光束线上进行了实验。“交变磁性仅在几年前才被提出，而确认这些模型的快速进展令人难以置信。”

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）