这一突破来自美国能源部SLAC国家加速器实验室领导的研究团队。在一项发表于《科学》期刊的研究中，研究人员为交替磁性提供了令人信服的实验证据。这是一种独特的磁相，结合了传统公认的两类磁性的重要特征。
“在过去几年里，科学家们观察到了一些无法完全归入铁磁-反铁磁二分法的现象，”第一作者、SLAC与斯坦福材料与能源科学研究所副科学家Daniel Jost解释道。“研究人员一直在积累证据，证明存在第三种磁性，它兼具这两类磁性的特质。我们相信，我们的结果为这第三种磁相——交替磁性——的真实性提供了有力的实验证实。”
该团队聚焦于碲化锰，这种材料长期以来被归类为反铁磁体。在早期研究的基础上，科学家们发现了手性的直接证据，即材料磁结构中一种独特的不对称性。这一性质类似于螺旋楼梯或螺钉朝特定方向扭转的方式，是交替磁性的一个关键标志。
除了对基础物理学的重要意义外，这一发现还可以帮助研究人员开发性能适用于未来技术的磁性材料，包括先进的存储系统、量子器件，以及更节能的数据中心。
理解两种传统磁性类型
磁性在日常生活中十分常见，无论是吸住照片的冰箱贴，还是指向地球磁场方向的指南针。但这些现象背后的物理学远比表面看起来复杂得多。
在原子层面，磁性与电子的一种量子特性——自旋——相关联。尽管自旋并非字面意义上的电子像小球一样旋转，但它在某些方面的表现就像电子拥有自己的角动量。科学家通常将两种可能的自旋取向描述为“向上”和“向下”。
当这些自旋组织成特定模式时，材料就可能表现出磁性。然而，这并不一定意味着它会产生可从外部探测到的磁场。
在铁磁材料中，电子自旋沿同一方向排列（上-上-上或下-下-下）。它们的综合效应产生了普通磁体所具有的 familiar 磁场。人们使用具有这种行为的材料已有数千年历史。
1933年确认的第二类磁性则有所不同。在反铁磁体中，相邻电子自旋指向相反方向（上-下-上-下）。由于磁性贡献相互对抗，它们彼此抵消，不留下任何整体磁化。
第三种磁性类型挑战旧有规则
在近九十年的时间里，这两类磁性为理解材料中磁有序如何产生提供了基本框架。然而，近年的实验观察开始揭示两类框架都无法完全解释的行为。
一些材料表现出交替的电子自旋和零整体磁化，与反铁磁体一样。但它们还能支持有用的自旋电流——这是一种与铁磁行为相关的特性。自旋电流使信息可以通过电子的自旋特性来传输，而不必完全依赖其电荷。
这种不寻常的组合表明，科学家面对的是某种本质不同的东西。2022年，研究人员为属于这一新提出的第三类磁性的材料引入了“交替磁体”这一术语。
关键区别在于材料内部原子的排列。交替磁体具有交替的自旋取向（上-下-上-下），但围绕相反取向自旋的晶体结构彼此相对旋转。
这种旋转破坏了传统反铁磁体中存在的一种对称性。尽管这一区别很微妙，但它可以极大地改变电子的行为方式，使交替磁体得以将曾经被认为互不相容的特性结合在一起。
科学家找到交替磁性缺失的证据
尽管支持交替磁性的实验证据不断积累，研究人员仍然需要一种决定性的方法来证明它代表一种真正独立的磁相。
“到2024年，已有多项因素强烈支持交替磁性的真实性，”Jost说，“但谜题中仍缺失一块。”
缺失的证据涉及手性，一种有时被描述为“手征性”的性质。当一个物体的镜像无法与原物体完全重合时，它就是手性的。人的双手就是一个简单的例子：左右手互为镜像，但左手无法合适地伸进右手手套。
在交替磁体中，原子和电子自旋的不寻常排列可以在材料的电子结构和磁结构中产生这种手征性。传统反铁磁体则不会表现出同样的特征性手性信号。
探测到这种差异，将提供一种强有力的方法，来区分真正的交替磁体与仅仅与之相似的材料。
研究人员选择碲化锰作为测试材料。几十年来，科学家一直认为它是普通的反铁磁体，但更近期的研究提出了它可能属于这一新提出的类别的可能性。
强大的X射线揭示隐藏的磁性特征
为研究该材料的不寻常特性，团队在法国的欧洲同步辐射光源（ESRF）进行了实验。该设施的ID32光束线可产生精确可控的偏振X射线，使科学家能够检测原本极难探测的微妙磁结构。
研究人员使用了圆偏振X射线，其电场在光传播过程中会沿左旋或右旋方向旋转。通过测量材料如何散射这两种形式的光，他们可以寻找手性的证据。
“手性材料对左旋偏振X射线束的散射不同于对右旋射线束的散射，”Jost解释道。“非手性材料对两束光的散射方式则相同。”
实验揭示了碲化锰与两种X射线偏振相互作用方式的明显差异。这种独特的手性响应正是交替磁性所预期的信号类型，且不会出现在传统反铁磁体中。
“这一手性信号为我们提供了坚实的实验基础，可以说交替磁性自成一类的确凿证据，”Jost说。
研究人员于2024年首次进行该实验。他们于2025年初返回并重复了测量，成功再现了结果，进一步增强了这一新磁相的证据。
“这一技术帮助我们确认碲化锰确实表现出交替磁性，”该研究的共同作者、ESRF博士后科学家Rachel Nickel说，她参与设计并在ID32光束线上实施了实验。“交替磁性仅在几年前被提出，验证这些模型的进展如此迅速，令人难以置信。”
为什么交替磁性可能变革未来的计算机
这一发现可能对自旋电子学产生重要影响。这一不断发展的领域旨在利用电子自旋开发功能更强的电子器件。
传统电子学主要通过控制电子电荷来存储和处理信息。自旋电子学则通过同时利用电子自旋，增加了另一种处理信息的途径。
这种额外的能力可以使器件运行更快、更抗干扰，并大幅降低耗电量。这类改进在计算机存储器、大型数据中心以及其他需要海量信息处理的技术中将特别有价值。
然而，两种传统磁性类型带来了不同的障碍，限制了自旋电子系统的发展。
“铁磁体太容易受磁场影响，”Jost解释道。“如果你口袋里装着一块永磁体，走过一台用铁磁体构建的自旋电子设备，就可能翻转其中的比特，扰乱存储的信息。反铁磁体解决了这个问题，但它们几乎不可见——因此你无法轻易读取其中存储的数据，也无法用它们来驱动高效的自旋电流。”
交替磁体提供了一种潜在的有价值替代方案。与反铁磁体一样，其相反的自旋不产生整体磁化，有助于抵御不希望的磁干扰。与此同时，其不寻常的电子结构使其能够产生可用于读取信息的自旋极化电流。
“交替磁体兼具两者的优点，”Jost说。“它们的净磁化为零，因此很稳定，但仍然具备产生自旋极化电流的能力，从而能够轻松提取信息。这为你提供了一个额外的自由度。”
量子技术与电子学的新前沿
交替磁性的确认为科学家提供了一类可深入研究并有望针对技术应用进行设计的新材料。通过将磁稳定性与操控基于自旋的信息的能力相结合，这些材料可以帮助克服制约传统自旋电子器件发展的挑战。
下一步是学习如何利用光和电等外部影响来控制交替磁态。研究人员希望，掌握这种控制将使设计利用这些不寻常磁性特性的实用器件成为可能。
尽管这些材料在广泛应用之前仍需大量开发，但研究结果为量子技术、计算机存储器以及更高效数据中心等方面的未来工作奠定了更坚实的实验基础。
该研究得到了美国能源部科学办公室的部分资助。