SLAC研究人员发现新磁性相——交替磁性的证据

# SLAC 研究人员发现交替磁性的证据，证实一种新的磁相 来源：https://www6.slac.stanford.edu/news/2026-10-29-slac-researchers-find-proof-altermagnetism-new-magnetic-phase 2026 年 10 月 29 日 该团队在一种交替磁性候选材料中直接观测到了一种独特性质，为 2022 年首次提出的一种新磁相提供了关键证据\. 作者：Erin Woodward (https://www6.slac.stanford.edu/about/our-people/erin-woodward) ## 要点： - 近年来，支持第三种磁性——“交替磁性”——的科学证据不断积累\. - 如今，由 SLAC 牵头的团队已通过实验证实，一种材料表现出的特征，在理论上只有通过交替磁性才能解释\. - 交替磁性材料可用于设计先进电子器件，应用领域包括量子技术、存储设备和数据中心\. --- 数十年来，物理学家只认可两种在没有外部影响时存在于材料中的磁性：铁磁性和反铁磁性\. 如今，在发表于《科学》 (https://doi.org/10.1126/science.adv3196) 的研究成果中，由美国能源部 SLAC 国家加速器实验室 (https://www6.slac.stanford.edu/) 牵头的团队，为名为交替磁性的第三种磁相提供了确凿的实验证据\. “过去几年，科学家观测到了一些无法简单归入铁磁性或反铁磁性二分框架的现象，”论文第一作者、SLAC 和斯坦福材料与能源科学研究所 (https://simes.stanford.edu/) 的副研究员 Daniel Jost (https://profiles.stanford.edu/daniel-jost) 解释道\. “研究人员一直在积累证据，支持一种兼具这两类磁性特征的第三种磁性的存在\. 我们认为，我们的结果为这种第三磁相——交替磁性——的真实存在提供了有力的实验确认\.” 在以往研究的基础上，这项研究证实，碲化锰 \(MnTe\) 是一种交替磁体——这是一类同时表现出铁磁性和反铁磁性特征的新型磁体\. 研究结果提供了直接实验证据，表明一种交替磁性候选材料的自旋具有手性，即一种类似螺旋楼梯或螺丝的不对称磁结构\. 识别这些独特材料，可以让研究人员调控其性质，使其成为先进电子器件的理想候选材料，应用领域包括量子技术、存储设备和数据中心\. ### 磁性入门 对我们大多数人而言，磁性是一种可以切身感受到的力：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\. 但对物理学家而言，磁性要复杂得多\. 它是材料的一种量子性质，而且并非所有磁性材料都会产生可直接观测到的磁效应\. 在物理学中，如果一种材料中电子的自旋——即电子的内禀角动量，可以是“向上”或“向下”——发生极化，或按特定模式有序排列，这种材料就被视为具有磁性\. 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这类磁体\. 1933 年，科学家发现了另一类具有极化自旋的材料\. 反铁磁体中的电子自旋交替排列 \(上\-下\-上\-下\)，彼此抵消，因此不产生净磁效应\. ### 一种新的磁性？ 近 90 年来，这种二分类体系一直主导着我们对磁性的理解\. 但近年来，研究人员发现，有些材料无法简单归入其中任何一类\. 某些材料似乎既表现出反铁磁性的特征，例如自旋交替排列且净磁化强度为零，*又*表现出铁磁性的特征，例如能够利用自旋流 (https://www6.slac.stanford.edu/news/2015-09-03-researchers-see-spin-current-motion-first-time)\. 这些行为曾被认为是互不相容的\. 2022 年，研究人员提出 (https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.040501) 用“交替磁体”一词来命名这类难以归类的材料\. > 我们认为，我们的结果为这种第三磁相——交替磁性——的真实存在提供了有力的实验确认\. SLAC 和斯坦福材料与能源科学研究所副研究员 为解释这种行为，研究人员提出，交替磁体与常规反铁磁体非常相似，具有交替的自旋极化排列 \(上\-下\-上\-下\)，但存在一个关键差别：围绕“向上”自旋的晶格结构，相对于围绕“向下”自旋的晶格发生了旋转\. 这种几何扭转打破了对称性，可能正是其异常行为的根源\. ### 手性：拼图的最后一块 “到 2024 年时，已有一些因素强烈支持交替磁性的真实存在，”Jost 说，“但这幅拼图仍缺少一块\.” 缺失的那一块，就是交替磁性候选材料中存在手性的实验证据\. 手性通常也被称为“左右手性”，指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，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：尽管交替磁性材料与反铁磁体一样，具有交替排列的自旋 \(上\-下\-上\-下\)，但其晶格中的几何扭转，会赋予材料的电子结构和磁结构一种常规反铁磁体所不具备的独特手性\. Jost 的团队选择研究 MnTe 的手性——几十年来，这种材料一直被认为具有反铁磁性，直到几年前，人们才开始怀疑它具有交替磁性\. 团队将材料带到了位于法国的欧洲同步辐射装置 \(ESRF\)，使用了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，与对右旋偏振射线束的散射方式不同，”Jost 解释道\. “非手性材料则会以相同的方式散射这两种光束\.” 通过让圆偏振 X 射线在材料上发生散射，并比较材料对左旋光和右旋光的响应，他们提取出了一个清晰的手性信号，而这种信号本不应存在于常规反铁磁体中\. “这一手性特征为我们提供了坚实的实验依据，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，确认了此前的结果\. “这项技术帮助我们确认，碲化锰确实表现出了交替磁性，”ESRF 博士后研究员 Rachel Nickel 说\. 她是论文的共同作者，参与设计并实施了在 ID32 光束线上进行的实验\. “交替磁性几年前才被提出，而在验证这些模型方面取得如此迅速的进展，令人惊叹\.” 法国欧洲同步辐射装置中用于发现交替磁性的一台设备。 法国欧洲同步辐射装置的博士后研究员 Rachel Nickel 是该团队的成员之一，该团队观测到了一类被称为交替磁性的新磁性的直接证据\.*\(ESRF/Stef Candé\)* ## 现实世界中的交替磁性 这一发现对自旋电子学领域具有重大意义。在这一领域，研究人员正利用磁性材料的极化自旋来设计下一代电子器件\. 传统计算技术仅利用电子的电荷来存储和传输信息，而自旋电子学同时利用电子的电荷与自旋，为研究人员提供了额外的调控手段\. 自旋电子器件有望实现更快的速度、更强的稳健性，并显著降低计算和数据中心的能耗\. 研究人员在自旋电子器件方面已取得一些成果，但这些成果受到铁磁性和反铁磁性本质特征的限制\. “铁磁体太容易受到磁场影响，”Jost 解释道\. “如果你的口袋里装着一块永磁体，从用铁磁体制造的自旋电子器件旁边经过，就可能开始翻转其中的比特，扰乱存储的信息\. 反铁磁体解决了这个问题，但它们几乎是不可见的——因此，你无法轻松读取其中存储的数据，也难以利用它们来驱动高效的自旋流\.” “交替磁体兼具两者的优点，”Jost 说\. “它们的净磁化强度为零，因此很稳定，但仍然能够产生自旋极化电流，让信息易于提取\. 这为你提供了一个额外的可用自由度\.” 未来的研究将探索如何利用光和电来影响和控制交替磁态，以提高其在面向量子技术、存储设备和数据中心的自旋电子学方案中的实用性\. 这项研究得到了美国能源部科学办公室的部分支持\. **引用：**D\. Jost 等，*《科学》*，2026 年 10 月 29 日，10\.1126/science\.adv3196 (https://doi.org/10.1126/science.adv3196)\. 媒体垂询，请联系 [media@slac\.stanford\.edu](mailto:[email protected])\. 如有其他问题或意见，请通过 [communications@slac\.stanford\.edu](mailto:[email protected]) 联系 SLAC 战略传播与对外事务部门\. --- *关于 SLAC* *SLAC 国家加速器实验室探索宇宙在最大、最小和最快尺度上的运行机制，并发明供全球研究人员使用的强大工具\. 作为超快科学领域的世界领军者，以及勇于探索宇宙物理学的先行者，我们不断开辟新领域，以理解自身的起源，并建设更健康、更可持续的未来\. 我们的**发现与创新* (https://www6.slac.stanford.edu/research)*有助于开发新材料和化学工艺，并以前所未有的视角揭示宇宙和生命最精细的运作机制\. 在 60 多年前瞻性研究的基础上，我们通过推动量子技术、科学计算和下一代加速器开发等领域的发展，助力塑造未来\.* *SLAC 由斯坦福大学代表美国能源部**科学办公室* (https://www.energy.gov/science/office-science)*负责运营\. 科学办公室是美国物理科学基础研究最大的单一资助机构，致力于应对当今时代一些最紧迫的挑战\.* 深入了解 ## 相关报道 新闻稿 这一天体候选者在冥王星以外绕太阳运行，可能是太阳系这一区域已发现的最大、最明亮的天体之一\. 一片星空，一条线标示着一颗矮行星穿过夜空的路径。 专题报道 机器学习程序 SPINE 已成为全球中微子实验的支柱，通过解读复杂的探测器图像，帮助科学家揭开……的秘密\.\.\. ICARUS 新闻简讯 这张海鸥星云图像由鲁宾天文台的工程测试相机于 2024 年秋季拍摄，其中遍布恒星形成区域\. 繁星点点的黑色背景上，蓝色和粉色的云气交织盘旋 新闻稿 这一天体候选者在冥王星以外绕太阳运行，可能是太阳系这一区域已发现的最大、最明亮的天体之一\. 一片星空，一条线标示着一颗矮行星穿过夜空的路径。 专题报道 机器学习程序 SPINE 已成为全球中微子实验的支柱，通过解读复杂的探测器图像，帮助科学家揭开……的秘密\.\.\. ICARUS 新闻简讯 这张海鸥星云图像由鲁宾天文台的工程测试相机于 2024 年秋季拍摄，其中遍布恒星形成区域\. 繁星点点的黑色背景上，蓝色和粉色的云气交织盘旋 新闻稿 LUX\-ZEPLIN 实验观测到了一次粒子相互作用，它可能被解释为来自暗物质候选粒子 WIMP 的信号——但研究人员将\.\.\. 一名穿着防护装备的研究人员在一台高大的圆柱形科学仪器旁工作，仪器上的线路清晰可见。周围可见的壁面由反光的特氟龙制成。 新闻简讯 这项位于地下深处的实验，在寻找自然界最难以捉摸的物质之一的过程中，甚至可能在达到最佳灵敏度之前就取得早期科学成果，届时\.\.\. SuperCDMS 屏蔽罩 新闻简讯 美国国家科学基金会与能源部薇拉·C\. 鲁宾天文台发布的一张新图像，呈现了 COSMOS 天区及其周边数十万个遥远星系，标志着该天文台的\.\.\. 一片布满恒星和星系的夜空