（來源：MIT News）

物理學(xué)家們長期觀察到，普通鐵磁體中原子電子的“自旋”方向相同，就像許多小指南針指向同一方向。這種自旋排列會產(chǎn)生磁場，賦予鐵磁體固有的磁性。反鐵磁體中磁性原子的電子也有自旋，但這些自旋是交替的，相鄰原子的電子自旋方向相反。總體來看，相等且相反的自旋相互抵消，因此反鐵磁體不會表現(xiàn)出宏觀磁化。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院（MIT）的團隊展示了一種被稱為“p 波磁性”的新型磁性，未來可以用來構(gòu)建密度更高、功耗更低、傳輸速率更高的存儲芯片。這種新型磁性由兩種形式構(gòu)成：鐵磁性和反鐵磁性。鐵磁性存在于冰箱貼和指南針中，而反鐵磁性則存在于磁性極低的材料中。

團隊在實驗室合成的二維晶體材料碘化鎳(NiI2)中發(fā)現(xiàn)了這種新的 p 波磁性。與鐵磁體類似，電子表現(xiàn)出優(yōu)先的自旋方向；與反鐵磁體類似，相反自旋的數(shù)量相等導(dǎo)致凈抵消。然而，鎳原子上的自旋表現(xiàn)出獨特的模式，在材料內(nèi)形成螺旋狀構(gòu)型，彼此呈鏡像對稱，就像左手是右手的鏡像一樣。

更重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)這種螺旋自旋構(gòu)型使他們能夠進行“自旋切換”：根據(jù)材料中自旋螺旋的方向，他們可以在相關(guān)方向施加小電場，輕松地將左旋自旋翻轉(zhuǎn)為右旋自旋，反之亦然。

切換電子自旋的能力是“自旋電子學(xué)"的核心，這是對傳統(tǒng)電子學(xué)的一種替代方案。通過這種方法，數(shù)據(jù)可以以電子自旋而非電荷的形式寫入，有可能在設(shè)備上存儲多幾個數(shù)量級的數(shù)據(jù)，同時使用更少的電力來寫入和讀取數(shù)據(jù)。

“我們證明了這種新型磁性可以通過電來操控，這一突破為一類新型超快、緊湊、節(jié)能且非易失性的磁性存儲設(shè)備鋪平了道路。”麻省理工學(xué)院材料研究實驗室的研究科學(xué)家 Qian Song 說道。

這項研究發(fā)表在Nature期刊，共同作者包括 Connor Occhialini、Batyr Ilyas、Emre Erge?en、Nuh Gedik 和 Riccardo Comin，以及伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的 Rafael Fernandes 等。

串聯(lián)線索

這一發(fā)現(xiàn)建立在 Comin 研究組 2022 年的工作基礎(chǔ)上。當時，該團隊探測了同種材料——碘化鎳的磁性特性。在微觀層面，碘化鎳的鎳原子和碘原子排列成三角形晶格結(jié)構(gòu)。鎳是該材料的主要磁性來源，其原子上的電子具有自旋特性，而碘原子上的電子則沒有。

在那些實驗中，團隊觀察到鎳原子的自旋在晶格中呈螺旋狀排列，并且這種螺旋可以有兩種不同的取向。

當時，Comin 并未意識到這種獨特的原子自旋模式能夠精確調(diào)控周圍電子的自旋狀態(tài)。這一可能性后來由合作者 Rafael Fernandes 提出。這位理論物理學(xué)家與同行們對當時新提出的“p 波磁體”概念產(chǎn)生了濃厚的興趣——在這種非常規(guī)磁體中，沿相反方向運動的電子會呈現(xiàn)相反的自旋排列。

Fernandes 團隊意識到：若某種材料的原子自旋呈現(xiàn)科明在碘化鎳中觀測到的幾何螺旋排列，就意味著實現(xiàn)了“p 波磁體”。當施加電場改變螺旋的“手性”時，沿相同方向運動的電子自旋排列也應(yīng)同步切換。

換言之，這種 p 波磁體能夠?qū)崿F(xiàn)電子自旋的簡單可控切換，完全適用于自旋電子學(xué)應(yīng)用。“這在當時是個全新概念，”Comin 表示，“我們決定進行實驗驗證，因為意識到碘化鎳正是展示這類 p 波磁體效應(yīng)的理想候選材料。”

自旋電流研究

研究團隊為這項新研究合成了碘化鎳單晶薄片。他們首先將鎳和碘的粉末沉積在晶體基底上，然后放入高溫爐中。這一過程使元素分層排列，每層在微觀上都形成鎳原子和碘原子的三角形晶格結(jié)構(gòu)。

“從爐子里取出的樣品有幾毫米寬，薄得像脆餅，” Comin 解釋道，“我們再將其剝離成更小的薄片，每片只有幾微米寬，幾十納米厚。”

研究人員想確認：鎳原子自旋的螺旋幾何結(jié)構(gòu)是否真會迫使沿相反方向運動的電子具有相反自旋——這正是 Fernandes 預(yù)測的 p 波磁體應(yīng)有的特性。為驗證這點，團隊向每片樣品照射圓偏振光（產(chǎn)生順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)電場的特殊光線）。

他們推斷：若與自旋螺旋相互作用的運動電子自旋方向與入射偏振光相同，就會產(chǎn)生共振并發(fā)出特征信號。這種信號將證實運動電子的自旋排列確實受螺旋構(gòu)型影響，進而證明材料確實表現(xiàn)出 p 波磁性。

實驗結(jié)果完全符合預(yù)期。在對多片碘化鎳樣品的實驗中，研究人員直接觀測到電子自旋方向與激發(fā)光偏振手性存在關(guān)聯(lián)——這正是 p 波磁體的確鑿證據(jù)，屬世界首次發(fā)現(xiàn)。

團隊進一步嘗試通過施加電場（或微小電壓）來切換電子自旋。他們發(fā)現(xiàn)：當電場方向與自旋螺旋方向一致時，能迫使路徑上的電子自旋同向排列，從而產(chǎn)生同向自旋電子流。

“這種自旋電流在器件層面大有可為，”Comin 舉例說明，“比如可以用來翻轉(zhuǎn)磁疇以控制磁存儲單元。相比傳統(tǒng)電子器件，自旋電子效應(yīng)更高效——因為你只是在操控自旋而非移動電荷，這意味著完全規(guī)避了導(dǎo)致發(fā)熱的能量耗散效應(yīng)。”

“我們僅需微小電場就能控制這種磁切換，”Qian Song 補充道，“p 波磁體可節(jié)省五個數(shù)量級的能耗，這非常驚人。”

“看到尖端實驗證實我們關(guān)于 p 波自旋極化態(tài)的預(yù)測令人振奮，”提出 p 波磁性概念的理論研究作者之一、德國馬普研究所負責人Libor ?mejkal 評價道，他未參與本次實驗，“電控 p 波自旋極化的演示也凸顯了非常規(guī)磁態(tài)的應(yīng)用潛力。”

需注意的是，團隊僅在約 60 開爾文（低于液氮溫度）的極低溫環(huán)境下觀測到碘化鎳薄片的 p 波磁性。

Comin 坦言，“這個溫度條件對實際應(yīng)用不太友好，但既然已經(jīng)實現(xiàn)了這種新磁態(tài)，下一步就是尋找能在室溫下保持這些特性的材料，屆時才能真正應(yīng)用于自旋電子器件。”

https://news.mit.edu/2025/physicists-observe-new-form-magnetism-0605