（來源：MIT News）

物理學家們長期觀察到，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出宏觀磁化。

現在，麻省理工學院（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)中發現了這種新的 p 波磁性。與鐵磁體類似，電子表現出優先的自旋方向；與反鐵磁體類似，相反自旋的數量相等導致凈抵消。然而，鎳原子上的自旋表現出獨特的模式，在材料內形成螺旋狀構型，彼此呈鏡像對稱，就像左手是右手的鏡像一樣。

更重要的是，研究人員發現這種螺旋自旋構型使他們能夠進行“自旋切換”：根據材料中自旋螺旋的方向，他們可以在相關方向施加小電場，輕松地將左旋自旋翻轉為右旋自旋，反之亦然。

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

“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、節能且非易失性的磁性存儲設備鋪平了道路?！甭槭±砉W院材料研究實驗室的研究科學家 Qian Song 說道。

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

串聯線索

這一發現建立在 Comin 研究組 2022 年的工作基礎上。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構。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控周圍電子的自旋狀態。這一可能性后來由合作者 Rafael Fernandes 提出。這位理論物理學家與同行們對當時新提出的“p 波磁體”概念產生了濃厚的興趣——在這種非常規磁體中，沿相反方向運動的電子會呈現相反的自旋排列。

Fernandes 團隊意識到：若某種材料的原子自旋呈現科明在碘化鎳中觀測到的幾何螺旋排列，就意味著實現了“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同步切換。

換言之，這種 p 波磁體能夠實現電子自旋的簡單可控切換，完全適用于自旋電子學應用?！斑@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 波磁體效應的理想候選材料?！?/p>

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構。

“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?！?/p>

研究人員想確認：鎳原子自旋的螺旋幾何結構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 預測的 p 波磁體應有的特性。為驗證這點，團隊向每片樣品照射圓偏振光（產生順時針或逆時針旋轉電場的特殊光線）。

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，就會產生共振并發出特征信號。這種信號將證實運動電子的自旋排列確實受螺旋構型影響，進而證明材料確實表現出 p 波磁性。

實驗結果完全符合預期。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光偏振手性存在關聯——這正是 p 波磁體的確鑿證據，屬世界首次發現。

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。他們發現：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，“比如可以用來翻轉磁疇以控制磁存儲單元。相比傳統電子器件，自旋電子效應更高效——因為你只是在操控自旋而非移動電荷，這意味著完全規避了導致發熱的能量耗散效應?！?/p>

“我們僅需微小電場就能控制這種磁切換，”Qian Song 補充道，“p 波磁體可節省五個數量級的能耗，這非常驚人?！?/p>

“看到尖端實驗證實我們關于 p 波自旋極化態的預測令人振奮，”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磁態的應用潛力?！?/p>

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用不太友好，但既然已經實現了這種新磁態，下一步就是尋找能在室溫下保持這些特性的材料，屆時才能真正應用于自旋電子器件。”

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