刚发《Nature》，又入选《Science》2024年度十大突破，改写教科书！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-15 07:50

正文

第三种磁性！

近百年来，物理学家认为只有两种类型的永磁材料。一类是熟悉的铁磁体（例如铁）中，相邻原子上的不成对电子沿同一方向旋转，磁化材料。另一类是铬等反铁磁体，它的整体磁性为零，但它们具有原子级的磁性图案，相邻的电子以相反的方向旋转。5年前，研究人员提出新型交替磁体（altermagnets），它具有两者的共同性质（Sci. Adv.2020,6,eaaz8809）。相邻电子以相反的方式旋转，确保零净磁性，但在更深的层次上，这些材料也类似于铁磁体。今年，多种材料表现出了这种类似于“人格分裂”的交替磁性。

理论家通过想象如果时间倒流会发生什么来区分两种传统磁学机制。他们设想晶体材料中高能电子占据抽象空间中的 3D“费米表面”，其轴是电子动量的组成部分。在反铁磁体中，例如，“向上”旋转的电子具有一个费米表面，该表面恰好与那些“向下”旋转的电子相同。倒转时间会翻转旋转。但重合的费米面看起来仍然相同，保留了所谓的时间反转对称性。

在铁磁体中，上电子的数量超过下电子，并且具有较大的费米表面，该表面围绕着较小的费米表面进行下行。时间倒转和自旋，费米表面改变位置，“打破”了铁磁性的标志—时间反转对称性。

交替磁体（altermagnets）具有相同数量的上下电子，但材料本身结构的特殊性导致上下电子的费米表面更加复杂，这也打破了对称性。想象一下两个相同的椭圆以 90° 相交。因为椭圆的大小相同，所以材料没有净磁性。但是反转时间和旋转，椭圆交换方向，这是一个可检测的差异。当然，实验物理学家无法逆转时间，但今年多个小组测量了费米表面，并看到了碲化锰和锑化铬等材料的明显分裂。交替磁体的出现，使得电子产品种实现超快磁性开关成为可能。

2024年12月11日，诺丁汉大学P. Wadley教授、O. J. Amin博士、A. Dal Din博士展示了交替磁态碲化锰（MnTe）中，从100 纳米级涡流和畴壁到 10 微米级单畴状态的纳米级成像，相关论文以“Nanoscale imaging and control of altermagnetism in MnTe”为题，发表在Nature上，并被Nature以“Imaging a new class of magnetism”为题，作为研究亮点报道。仅仅隔了一天，“第三种磁性”被Science评为2024年度十大突破！

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08234-x

Nature报道：
https://www.nature.com/articles/d41586-024-04030-9

Science年度突破：
https://www.science.org/content/article/breakthrough-2024#section_altermagnetism

来源：高分子科学前沿

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