物理学家们长期观察到，普通铁磁体中原子电子的“自旋”方向相同，就像许多小指南针指向同一方向。这种自旋排列会产生磁场，赋予铁磁体固有的磁性。反铁磁体中磁性原子的电子也有自旋，但这些自旋是交替的，相邻原子的电子自旋方向相反。总体来看，相等且相反的自旋相互抵消，因此反铁磁体不会表现出宏观磁化。
现在，麻省理工学院（MIT）的团队展示了一种被称为“p 波磁性”的新型磁性，未来可以用来构建密度更高、功耗更低、传输速率更高的存储芯片。这种新型磁性由两种形式构成：铁磁性和反铁磁性。铁磁性存在于冰箱贴和指南针中，而反铁磁性则存在于磁性极低的材料中。
团队在实验室合成的二维晶体材料碘化镍(NiI2)中发现了这种新的 p 波磁性。与铁磁体类似，电子表现出优先的自旋方向；与反铁磁体类似，相反自旋的数量相等导致净抵消。然而，镍原子上的自旋表现出独特的模式，在材料内形成螺旋状构型，彼此呈镜像对称，就像左手是右手的镜像一样。
更重要的是，研究人员发现这种螺旋自旋构型使他们能够进行“自旋切换”：根据材料中自旋螺旋的方向，他们可以在相关方向施加小电场，轻松地将左旋自旋翻转为右旋自旋，反之亦然。
切换电子自旋的能力是“自旋电子学"的核心，这是对传统电子学的一种替代方案。通过这种方法，数据可以以电子自旋而非电荷的形式写入，有可能在设备上存储多几个数量级的数据，同时使用更少的电力来写入和读取数据。
“我们证明了这种新型磁性可以通过电来操控，这一突破为一类新型超快、紧凑、节能且非易失性的磁性存储设备铺平了道路。”麻省理工学院材料研究实验室的研究科学家 Qian Song 说道。
这项研究发表在 Nature 期刊，共同作者包括 Connor Occhialini、Batyr Ilyas、Emre Ergeçen、Nuh Gedik 和 Riccardo Comin，以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 Rafael Fernandes 等。
串联线索
这一发现建立在 Comin 研究组 2022 年的工作基础上。当时，该团队探测了同种材料——碘化镍的磁性特性。在微观层面，碘化镍的镍原子和碘原子排列成三角形晶格结构。镍是该材料的主要磁性来源，其原子上的电子具有自旋特性，而碘原子上的电子则没有。
在那些实验中，团队观察到镍原子的自旋在晶格中呈螺旋状排列，并且这种螺旋可以有两种不同的取向。
当时，Comin 并未意识到这种独特的原子自旋模式能够精确调控周围电子的自旋状态。这一可能性后来由合作者 Rafael Fernandes 提出。这位理论物理学家与同行们对当时新提出的“p 波磁体”概念产生了浓厚的兴趣——在这种非常规磁体中，沿相反方向运动的电子会呈现相反的自旋排列。
Fernandes 团队意识到：若某种材料的原子自旋呈现科明在碘化镍中观测到的几何螺旋排列，就意味着实现了“p 波磁体”。当施加电场改变螺旋的“手性”时，沿相同方向运动的电子自旋排列也应同步切换。
换言之，这种 p 波磁体能够实现电子自旋的简单可控切换，完全适用于自旋电子学应用。“这在当时是个全新概念，”Comin 表示，“我们决定进行实验验证，因为意识到碘化镍正是展示这类 p 波磁体效应的理想候选材料。”
自旋电流研究
研究团队为这项新研究合成了碘化镍单晶薄片。他们首先将镍和碘的粉末沉积在晶体基底上，然后放入高温炉中。这一过程使元素分层排列，每层在微观上都形成镍原子和碘原子的三角形晶格结构。
“从炉子里取出的样品有几毫米宽，薄得像脆饼，” Comin 解释道，“我们再将其剥离成更小的薄片，每片只有几微米宽，几十纳米厚。”
研究人员想确认：镍原子自旋的螺旋几何结构是否真会迫使沿相反方向运动的电子具有相反自旋——这正是 Fernandes 预测的 p 波磁体应有的特性。为验证这点，团队向每片样品照射圆偏振光（产生顺时针或逆时针旋转电场的特殊光线）。
他们推断：若与自旋螺旋相互作用的运动电子自旋方向与入射偏振光相同，就会产生共振并发出特征信号。这种信号将证实运动电子的自旋排列确实受螺旋构型影响，进而证明材料确实表现出 p 波磁性。
实验结果完全符合预期。在对多片碘化镍样品的实验中，研究人员直接观测到电子自旋方向与激发光偏振手性存在关联——这正是 p 波磁体的确凿证据，属世界首次发现。
团队进一步尝试通过施加电场（或微小电压）来切换电子自旋。他们发现：当电场方向与自旋螺旋方向一致时，能迫使路径上的电子自旋同向排列，从而产生同向自旋电子流。
“这种自旋电流在器件层面大有可为，”Comin 举例说明，“比如可以用来翻转磁畴以控制磁存储单元。相比传统电子器件，自旋电子效应更高效——因为你只是在操控自旋而非移动电荷，这意味着完全规避了导致发热的能量耗散效应。”
“我们仅需微小电场就能控制这种磁切换，”Qian Song 补充道，“p 波磁体可节省五个数量级的能耗，这非常惊人。”
“看到尖端实验证实我们关于 p 波自旋极化态的预测令人振奋，”提出 p 波磁性概念的理论研究作者之一、德国马普研究所负责人Libor Šmejkal 评价道，他未参与本次实验，“电控 p 波自旋极化的演示也凸显了非常规磁态的应用潜力。”
需注意的是，团队仅在约 60 开尔文（低于液氮温度）的极低温环境下观测到碘化镍薄片的 p 波磁性。
Comin 坦言，“这个温度条件对实际应用不太友好，但既然已经实现了这种新磁态，下一步就是寻找能在室温下保持这些特性的材料，届时才能真正应用于自旋电子器件。”
原文链接：
https://news.mit.edu/2025/physicists-observe-new-form-magnetism-0605
