SLAC等团队在碲化锰中观测到手性磁振子

除了我们熟悉的磁铁，自然界中还存在许多不同形式的磁性。长期以来，科学家主要研究两类典型的磁性状态：铁磁性和反铁磁性。不过，近年来，一种被称为交替磁性（Altermagnetism）的新型磁性逐渐受到关注。它兼具前两者的部分特征，被认为有望为未来的芯片和信息存储技术带来新的可能性。 如今，科学家又找到了支持这种磁性的重要实验证据。 近日，美国 SLAC 国家加速器实验室、斯坦福大学、欧洲同步辐射装置等机构的研究人员在 Science 发表论文，研究人员利用 X 射线技术，在一种名为碲化锰（MnTe）的材料中，观察到了此前理论预测的特殊磁性现象。 研究人员将其称为手性交替磁振子（Chiral Altermagnon）。这一发现进一步揭示了交替磁体内部电子自旋的运动规律，也为理解这种新型磁性提供了新的实验依据。 为什么科学家会对交替磁性感兴趣？这需要从磁性产生的原因说起。 我们日常接触的磁铁之所以具有磁性，与材料内部电子的自旋有关。可以将电子的自旋想象成一个个微小的磁针，它们的排列方式不同，材料表现出来的磁性也就不同。 在普通磁铁中，这些微小的磁针大多朝着相同方向排列，因此能够形成明显的磁场，这种现象被称为铁磁性。而在另一类材料中，相邻的磁针往往朝着相反的方向排列，彼此产生的磁性相互抵消，材料整体上便不会表现出明显的磁场，这就是反铁磁性。 交替磁性的特别之处在于，它同时具有这两类磁体的部分特点。 与反铁磁体类似，交替磁体内部的磁性也能够相互抵消，不会产生明显的整体磁场。但由于原子排列方式不同，它又能表现出一些通常与铁磁体相关的电子特性。 图 | 三种被提出的磁性形式，中间示意的是交错磁性（来源：SLAC） 这也是交替磁性受到关注的重要原因。对于芯片和信息存储设备而言，材料的磁性不仅关系到信息如何保存，也可能影响不同器件之间的相互干扰。交替磁体既能避免明显的外部磁场，又保留了一些可以利用的电子自旋特性，因此被认为具有潜在的应用价值。 不过，要弄清楚交替磁性究竟有哪些独特性质，还需要更多实验来验证。其中，碲化锰是交错磁性领域最核心的模式材料之一，它内部的磁性排列与普通反铁磁体相似，但由于原子之间存在特殊的空间排列关系，又表现出一些不同寻常的性质。 2024 年，研究人员已经通过实验发现，碲化锰内部不同自旋状态的电子存在能量差异，材料中的集体自旋运动也呈现出理论预测的能量变化。这些结果为交替磁性的研究提供了重要支持。 在此基础上，此次研究进一步关注一个问题：交替磁体内部的电子自旋，究竟会以怎样的方式共同运动？ 在磁性材料中，电子自旋并不是始终保持不变的。当一部分自旋受到扰动时，这种变化可能传递给周围的电子，形成集体运动。这一过程有些类似于水面上的波纹。当一个位置受到扰动时，波纹会逐渐向周围传播。科学家将材料内部这种集体自旋波动称为自旋波，其对应的量子化激发则被称为磁振子（Magnon）。 此前的理论研究预测，在交替磁体中，磁振子可能具有一种特殊的性质：手性。简单来说，就是电子自旋的集体运动具有特定的旋转方向，可以类比为顺时针和逆时针旋转。而且，这种旋转特征还可能随着磁振子运动方向的变化而改变。 为了验证这一预测，研究团队在法国欧洲同步辐射装置开展实验，分别使用左旋和右旋圆偏振 X 射线照射碲化锰，并分析 X 射线与材料相互作用后的散射信号。 实验中，研究人员首先观察到了与磁振子对应的信号。随着温度升高，这一信号逐渐减弱，并在材料失去原有的磁有序状态后消失，说明它确实来自材料内部的磁性活动。 接下来，研究人员比较了两种圆偏振 X 射线的测量结果，发现两者的信号强度存在明显差异。这意味着材料内部的磁振子具有手性，也就是存在特定的旋转特征。 图 | MnTe 中的交错磁性与自旋波（来源：Science） 更重要的是，当研究人员改变测量方向时，两种信号之间的差异也随之发生变化。在某些方向上，这种差异十分明显；而在另一些方向上，差异会逐渐减小甚至消失，信号的正负还会发生反转。 这种变化规律与此前理论预测的交替磁性特征相符。也就是说，研究人员不仅观测到了具有手性的磁振子，还发现其旋转特征受到材料内部特殊原子排列方式的影响。这也是此次研究最重要的发现。 实际上，这并不是科学家第一次在交替磁体中发现类似现象。 近年来，研究人员已经从不同角度获得了相关实验结果。例如，2024 年的研究发现了碲化锰内部不同自旋电子的能量差异，以及磁振子能量的分离现象。2026 年 6 月，还有研究团队在碲化锰中直接观察到了可以通过外部磁场切换手性的磁振子。 此次研究则采用了不同的 X 射线测量方法，在观察磁振子手性的同时，进一步揭示了这种特征如何随测量方向发生变化。 研究团队认为，这些成果共同构成了支持交替磁性的三类重要实验证据：不同自旋电子的能量存在差异，磁振子的能量能够

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