近一個世紀以來，物理學家首次發現了一種全新類型的磁性材料。
打開一本物理教科書，你可能會讀到科學家將磁性材料分為兩種主要類型：鐵磁體和反鐵磁體。當大多數人想到磁鐵時，就會想到鐵磁體。這些材料具有磁場，可以將照片放在冰箱上或將磁羅盤指向北方。反鐵磁體沒有外部磁場，但具有其他磁性特性。
現在，這對經典組合已成為三人組合。物理學家報告了一種稱為交流磁體的新型磁性材料，它可能會帶來新技術，例如更快、更有效率的電腦硬碟。
弗吉尼亞州費爾法克斯喬治梅森大學的理論物理學家伊戈爾·馬津(Igor Mazin) 表示，儘管交流磁體背後的想法非常簡單，但「不知怎的……直到最近還沒有人考慮過這種可能性」。事實上，第三個磁性類別可能這麼長時間都沒有被注意到，“這讓我感到非常驚訝。”
這是因為磁性材料的研究是一門古老的科學。鐵磁體已為人所知數千年。磁石是磁鐵礦礦物的磁化形式，令古希臘人著迷。中國人將磁化礦物鍛造成第一個指南針在西元前四世紀（序號：2011 年 1 月 28 日）。反鐵磁體於 20 世紀 30 年代被發現。
然後，幾年前，理論預測顯示交流磁體可能存在。當科學家開始尋找它們時，研究人員很快就發現這些磁性材料是真實且豐富的。
交替磁鐵是他們自己的類別
在微觀層面上，材料從原子中獲得磁性。原子具有自旋，這是原子電子賦予的量子力學特性。這種自旋使每個原子就像一個微小的磁鐵。自旋可以指向不同的方向，通常稱為向上自旋和向下自旋。任何自旋有序排列的材料（在沒有任何外部施加的磁場的情況下）都被物理學家視為磁性材料。
在鐵磁體中，原子的自旋對齊，因此它們的磁場結合起來形成圍繞材料的磁場。反鐵磁體則相反：原子的自旋指向交替的方向，它們的磁場相互抵消，不產生淨場。
在交變磁鐵中，原子的自旋是交替的，但有一個額外的扭曲。不僅相鄰原子的自旋相反，而且原子也旋轉。如果你把反鐵磁體想像成棋盤，交替的黑白方塊代表向上和向下旋轉，那麼交替磁鐵就像MC 埃舍爾的畫作，有棋盤格形狀——鳥、馬或埃舍爾的其他圖案——但它們並不相同。
如果你拿一個交流磁體，翻轉它的旋轉，然後將材料旋轉——例如 90 度——它看起來會和原來的狀態一模一樣。這是一種特殊類型的對稱性，與其他磁性材料不同。還有這種對稱性將交流磁鐵歸為自己的類別，美因茨約翰內斯古騰堡大學的 Jairo Sinova 及其同事在物理評論X2022 年 9 月—這是自 2019 年以來為數不多的幫助交流磁鐵聞名的理論論文之一。
現在已經開始進行實驗來確認某些材料的交變磁特性。
交替磁鐵變得真實
科學家預測，交流磁體材料中的電子將具有一些不尋常的特性。為了確認給定材料的交變磁性質，科學家需要繪製出電子行為。特別重要的是繪製出材料中電子的能量與其動量的關係。在鐵磁體中，在該圖上具有給定能量的電子會分裂：動量取決於自旋。相同能量的自旋向上的電子與向下自旋的電子有不同的動量。
然而，在反鐵磁體中，向上自旋和向下自旋的電子是相同的。對於給定的能量，兩個自旋將具有相同的動量。
這就是交流磁鐵奇怪的雙重性質發揮作用的地方。科學家預測，材料的電子將根據自旋分裂，但僅限於沿著特定方向移動的電子。這意味著，在某些方向上，該材料將像鐵磁體一樣發揮作用，而在其他方向上則像反鐵磁體一樣。
為了證實這種效應，科學家使用了一種稱為角分辨光電子能譜的技術，可以測量材料受到光照射時發射的電子。透過這種方法，研究人員觀察到碲化錳材料中的自旋分裂。這種材料自 20 世紀 60 年代以來一直被研究，之前被認為是一種反鐵磁體。但結果匹配預測的交變磁行為，研究人員在 2 月 15 日報自然。
大約在同一時間，另外兩支球隊還找到了證據的碲化錳中的自旋分裂據1月19日發表的論文物理評論快報和三月 15物理複習B。
更多的變磁材料正在出現。 2月2日的一篇論文科學進步成立二氧化釕交變磁性的特徵，以及 3 月 8 日的一篇論文自然通訊描述了交變磁行為鉻銻化合物薄膜。
德國美因茨約翰內斯古騰堡大學的物理學家 Libor Šmejkal 表示，“底線是……這不僅僅是一個罕見的系統”，它擁有交流磁體。結果證實，交流磁鐵不僅僅是理論上的。它們是一種新型的第三類磁性材料。
不僅在多種材料中發現了交變磁體，而且候選交變磁體的數量比鐵磁體還要多。布拉格捷克科學院物理研究所的實驗物理學家 Helena Reichlová 表示，這些材料並不晦澀或有毒。研究人員已經知道如何生產和使用這些材料。 “他們已經和我們在一起了，只是對我們隱藏了而已。”
按類型估計的磁性材料數量
新型磁鐵找到了自己的定位
交替磁鐵的性質使它們特別適合某些技術應用。目前，鐵磁體用於磁性電腦硬碟驅動器，它將 0 和 1 編碼為微小的磁性位元。但該技術受到鐵磁體磁場的限制。 「鐵磁體中的磁化是我們在硬碟中使用的所有這些令人興奮的效應的來源，」Šmejkal 說。 “但同時，它也是敵人。”
磁性鑽頭很難緊密包裝：緊密放置的鐵磁體可能會透過磁場相互幹擾。而且磁性位有速度限制：它們從 0 切換到 1 的速度只有那麼快。因此，科學家考慮用沒有磁場的反鐵磁體來取代鐵磁體。但這個計劃有一個問題。為了讀取數據，硬碟驅動器利用鐵磁體的自旋分裂行為。在反鐵磁體中，電子不會根據自旋分裂。
交變磁鐵沒有淨磁場，但可以透過自旋分裂電子，可以提供兩全其美的效果。捷克科學院物理研究所的物理學家 Tomáš Jungwirth 表示，交變磁學「似乎彌補了鐵磁體的一些關鍵限制」。
更重要的是，而鐵磁體往往是金屬，交流磁鐵可以由多種材料類型製成（序號：1/11/23）。例如，碲化錳就是一種半導體。由於半導體用於製造電腦晶片，科學家希望同時也是半導體的磁性材料能夠實現以下功能：結合記憶體和處理器在一種材料中（序號：13年10月4日）。
西諾瓦說，憑藉“最好的反鐵磁體、最好的鐵磁體以及一些自身獨特的東西”，交替磁體正在消除磁性現狀的局限性。 「這些材料打破了所有這些障礙。他們只是真的努力地穿過它們。
