现在磁性家族又多了一个新成员:由于瑞士光源SLS的实验，研究人员已经证明了电磁学的存在。这一新的磁学分支的实验发现发表在《自然》杂志上，它标志着新的基础物理学，对自旋电子学具有重大意义。
磁性不仅仅是能粘在冰箱上的东西。这种理解是随着近一个世纪前反铁磁体的发现而来的。从那时起，磁性材料家族被划分为两个基本阶段:铁磁分支和反铁磁分支，已经存在了几千年。
磁性的第三个分支，被称为电磁学的实验证明，是由捷克科学院和保罗·谢勒研究所PSI领导的国际合作在瑞士光源SLS完成的。
基本磁相是由晶体中携带磁矩的原子的磁矩(或电子自旋)的特定自发排列来定义的。
铁磁体是一种粘在冰箱上的磁铁:在冰箱上，自旋指向同一个方向，从而产生宏观磁性。在反铁磁材料中，自旋指向交替的方向，结果是材料没有宏观的净磁化，因此不会粘在冰箱上。虽然其他类型的磁性，如抗磁性和顺磁性也被分类，但它们描述的是对外部施加磁场的特定响应，而不是材料中自发的磁顺序。
交替磁体具有自旋排列和晶体对称性的特殊组合。自旋交替，如反铁磁体，导致没有净磁化。然而，这种对称性并不是简单地相互抵消，而是产生了一种具有强自旋极化的电子能带结构，当你穿过材料的能带时，这种结构会朝相反的方向翻转——因此被称为交替磁体。这导致了非常有用的性质，更类似于铁磁体，以及一些全新的性质。
一个有用的新兄弟姐妹
这第三个磁性兄弟为下一代磁存储技术(称为自旋电子学)的发展领域提供了明显的优势。电子学只利用电子的电荷，而自旋电子学也利用电子的自旋状态来携带信息。
尽管自旋电子学多年来一直承诺会给IT带来革命，但它仍处于起步阶段。通常，铁磁体已用于此类器件，因为它们提供了某些非常理想的强自旋依赖物理现象。然而，在许多其他应用中很有用的宏观净磁化对这些设备的可扩展性造成了实际限制，因为它会导致比特(数据存储中携带信息的元素)之间的串扰。
最近，反铁磁体已经被研究用于自旋电子学，因为它们没有净磁化，因此具有超可扩展性和能量效率。然而，在铁磁体中非常有用的强自旋依赖效应缺乏，再次阻碍了它们的实际应用。
在这里，交替磁体具有两者的优点:零净磁化强度，以及令人垂涎的强自旋依赖现象，通常在铁磁体中发现，这些优点被认为基本上是不相容的。
“这就是磁铁的神奇之处，”捷克科学院物理研究所的Tomáš Jungwirth说，他是这项研究的首席研究员。“人们认为不可能的事情，直到最近的理论预测(表明它)实际上是可能的。”
搜索正在进行中
关于一种新型磁性潜伏的传言不久之前就开始了:2019年，Jungwirth与捷克科学院和美因茨大学的理论同事一起发现了一类具有自旋结构的磁性材料，这种材料不符合铁磁性或反铁磁性的经典描述。
在2022年，理论学家发表了他们对电磁存在的预测。他们在从绝缘体、半导体到金属和超导体的材料中发现了200多种候选的电磁材料。在过去，这些材料中的许多都是众所周知的，并被广泛地探索过，而没有注意到它们的电磁特性。由于电磁学带来了巨大的研究和应用机会，这些预测在社区内引起了极大的兴奋。搜寻工作开始了。
x光提供了证据
获得直接的实验证明，需要证明在交替磁体中预测的独特的自旋对称特性。这一证明来自于在SLS的SIS (COPHEE端站)和address光束线上使用自旋和角度分辨光谱学。这项技术使研究小组能够在一个可疑的交替磁体的电子结构中看到一个明显的特征:电子带的分裂对应于不同的自旋状态，被称为克莱默斯自旋简并的解除。
这一发现是在碲化锰晶体中发现的，碲化锰是一种众所周知的简单双元素材料。传统上，这种材料被认为是一个经典的反铁磁体，因为相邻锰原子的磁矩指向相反的方向，产生一个消失的净磁化。
然而，反铁磁体在磁序上不应该表现出提升的克莱默斯自旋简并，而铁磁体或交替磁体则应该。当科学家们看到克雷默斯自旋简并的增强，伴随着净磁化的消失，他们知道他们看到的是一个交替磁体。
“由于我们测量的高精度和灵敏度，我们可以检测到对应于相反自旋态的能级的特征交替分裂，从而证明碲化锰既不是传统的反铁磁体，也不是传统的铁磁体，而是属于磁性材料的新交替磁学分支，”PSI波束线光学小组的波束线科学家、该研究的第一作者Juraj Krempasky说。
使这一发现成为可能的光束线现在被拆解，等待SLS 2.0升级。经过二十年成功的科学研究，COPHEE终端站将完全集成到新的“QUEST”光束线中。“我们是在COPHEE的最后一个光子中进行这些实验的。他们给出了如此重要的科学突破，这让我们非常激动，”Krempasky补充道。
“现在我们把它公之于众了，世界各地的许多人将能够研究它。”
研究人员相信，这一新的磁学基础发现将丰富我们对凝聚态物理的理解，并对不同领域的研究和技术产生影响。除了它对发展中的自旋电子学领域的优势外，它还通过对不同磁性材料中可能出现的超导状态的新见解，为探索非常规超导性提供了一个有前途的平台。
“电磁学实际上并不是非常复杂的东西。这是一种完全基本的东西，在我们眼前已经存在了几十年而没有注意到，”Jungwirth说。它不是只存在于一些晦涩难懂的材料中。它存在于人们抽屉里的许多晶体中。从这个意义上说，既然我们已经将其公之于众，世界各地的许多人将能够研究它，从而产生广泛的影响。”
