一种新提出的量子传感技术可能会使识别物理学界最新且最引人入胜的一类磁体——交变磁体——变得更加容易。这些仅几年前才发现的不寻常材料，似乎兼具反铁磁体的速度与效率以及传统磁体某些实用的电子特性，这使其成为下一代电子器件极具潜力的候选材料。
一种是人们熟悉的铁磁体，即冰箱贴和无数日常设备中常见的那种。另一种是反铁磁体，其磁特性隐藏在原子层面，但因其在先进技术中的潜在应用而引起了越来越多的关注。
最近，研究人员确定了第三类磁体，称为交替磁体。这些材料最早是在过去十年内提出的，它们可能结合了铁磁体和反铁磁体一些最有用的特性，从而有望为更快、更节能的电子产品打开大门。
如今，布法罗大学的物理学家提出了一种新的量子传感方法，可以使交替磁体的识别变得更加容易。
该方法发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，旨在检测疑似交替磁体如何影响附近金刚石内部的微小磁缺陷。通过监测该缺陷的磁信号随时间的弛豫情况，研究人员或许能够识别出交替磁性的特征信号。
“这可能成为新一代实验的基石，用于确定一种材料是否为交替磁体，”通讯作者、布法罗大学文理学院物理系助理教授Jamir Marino博士说，“交替磁体可能彻底革命我们传输信息的方式，但要证实这一优美的理论是否成立，我们需要通过实验来识别交替磁体，并确认它们的表现符合科学家的预测。”
该研究的合著者包括Marino以前的同事、美因茨约翰内斯·古腾堡大学的Libor Šmejkal和Jairo Sinova，正是这些研究人员最初提出了交替磁体的概念。
“这种传感技术可能成为探索候选交替磁性材料的一个重要工具，”Sinova说，“与传统的实验技术相比，它具有优势，因为它可以在不显著干扰材料的情况下，检测材料不同区域细微的方向性磁模式。”
是什么让交替磁体与众不同？
交替磁性的概念出现于2019年，当时美因茨的研究人员遇到了一种无法用铁磁体或反铁磁体解释的行为。
他们的计算表明，二氧化钌应该没有整体磁化强度，这与反铁磁体非常相似。然而，当通入电流时，它的表现却更像铁磁体。
这一意想不到的结果促成了交替磁体概念的发展。
在传统磁体中，原子及其电子自旋通常以相对简单的模式排列。在铁磁体中，相邻的电子自旋指向相同的方向，从而产生外部磁场。由于这些自旋可以相对容易地翻转，铁磁体被广泛用于信息存储。
反铁磁体的运作方式则不同。相邻自旋指向相反的方向，导致它们的磁效应相互抵消。虽然这种排列更难控制，但其状态切换速度要快得多，这使得反铁磁体对未来信息处理技术具有吸引力。
交替磁体处于中间地带。像反铁磁体一样，它们的整体磁性相互抵消。然而，材料内部原子的排列导致电子表现出通常与铁磁体相关的行为方式。
“这种排列使得交替磁体能够将反铁磁体的快速翻转行为与铁磁体一些更易控制的电子特性结合起来，”Marino说。
利用金刚石缺陷探测隐藏的磁性
美因茨和其他地方的研究人员已经报道了几种材料中交替磁性的实验特征。理论研究表明，这一类别可能庞大得多，有超过200种材料可能符合交替磁体的条件。这将是已知铁磁材料数量的两倍多。
为了帮助识别这些候选材料，Marino的团队开发了这种提议的量子传感技术。
该方法依赖于一种含有微观磁缺陷的金刚石，这种缺陷由一个氮原子和一个邻近缺失的碳原子形成。这些缺陷对附近的磁活动异常敏感。
在拟议的实验中，研究人员将沿不同方向旋转缺陷的磁自旋，并测量其弛豫的速度。如果在某些方向上的弛豫速度比其他方向快，这种行为就可能揭示交替磁体所预测的复杂自旋排列。
该技术的一个重要优势是，与许多现有的用于研究磁性材料的方法相比，它的干扰性更小。
“你不希望你的测量强烈扰动你正在研究的材料，因为这会让你更难分辨你所看到的是材料的自然行为还是由实验引起的行为，”Marino说。
迈向更快、更高效的电子产品
Marino强调，该传感系统目前仅作为一个理论方案存在。团队是利用模拟量子动力学的精密模型开发出该方案的，但在研究人员知道其能否可靠识别交替磁体之前，仍需进行实验验证。
“高效识别交替磁性材料是迈向有朝一日在电子产品中实际应用它们的关键一步，”Marino说，“交替磁体将使信息传输效率从根本上得到提高。这可能使技术得以小型化，并降低功耗。”
其他合著者包括Hossein Hosseinabadi博士，他是Marino实验室的前研究生，现任德国马克斯·普朗克复杂系统物理研究所独立杰出博士后研究员；以及斯特拉斯堡大学/马克斯·普朗克光科学研究所的V.A.S.V. Bittencourt。
该研究由德国科学基金会资助。