麻省理工学院物理学家首次观察到一种新的磁性形式

NiI₂ 三角形晶格（黑色球体代表 Ni 原子）上的螺旋磁序（浅蓝色箭头）实现了电子可切换（白色锯齿线）p 波磁性。自旋上升（橙色点）和自旋下降（蓝色点）电子的传播方向相反，当螺旋磁序的手性发生切换（左旋与右旋）时，它们的传播路径会发生逆转。

麻省理工学院的物理学家们展示了一种新的磁性形式，未来可以利用这种形式制造出速度更快、密度更大、功耗更低的 “自旋电子 ”存储芯片。

新的磁性状态是两种主要磁性形式的混合体：一种是日常冰箱磁铁和指南针的铁磁性，另一种是反铁磁性，即材料在微观上具有磁性，但在宏观上并不磁化。

现在，麻省理工学院团队展示了一种新的磁性形式，称为“p 波磁性”。

物理学家早就观察到，普通铁磁体中原子的电子具有相同的 “自旋 ”方向，就像许多微型指南针指向同一个方向。这种自旋排列会产生磁场，使铁磁体具有固有磁性。

反铁磁体中属于磁性原子的电子也具有自旋，不过这些自旋是交替出现的，绕邻近原子运行的电子的自旋彼此反平行。总之，相等和相反的自旋相互抵消，反铁磁体不会表现出宏观磁化。

研究团队在实验室合成的二维晶体材料——碘化镍（NiI₂）中发现了新的 p 波磁性。与铁磁体一样，NiI₂的电子表现出一种择优的自旋方向；与反铁磁体类似，相反自旋的等量存在会导致净抵消。然而，镍原子上的自旋却呈现出一种独特的模式，在材料内部形成螺旋状的构型，彼此互为镜像，就像左手是右手的镜像一样。

II型多铁NiI₂中的对称性保护磁电耦合

更重要的是，研究人员发现这种螺旋自旋配置使他们能够进行 “自旋切换”： 根据材料中螺旋自旋的方向，他们可以在相关方向上施加一个小电场，轻松地将左旋螺旋自旋翻转成右旋螺旋自旋，反之亦然。

切换电子自旋的能力是 “自旋电子学 ”的核心，它是一种被提议用于替代传统电子学的技术。通过这种方法，数据可以以电子自旋的形式而不是电子电荷的形式写入，这样就有可能在设备上存储更多数量级的数据，而写入和读取这些数据所需的功耗却低得多。

麻省理工学院材料研究实验室研究科学家宋倩（Qian Song）表示：“我们证明，这种新形式的磁性可以用电来操纵。这一突破为新型超快、紧凑、高能效和非易失性磁存储器铺平了道路。”

宋倩和他的同事们在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。麻省理工学院的共同作者包括 康纳-奥恰里尼（Connor Occhialini）、巴特尔-伊利亚斯（Batyr Ilyas）、埃姆雷-埃尔热岑（Emre Ergeçen）、努赫-格迪克（Nuh Gedik） 和里卡多-科明（Riccardo Comin），以及伊利诺伊大学香槟分校的拉斐尔-费尔南德斯（Rafael Fernandes）和其他多个机构的合作者。

连点成线

这一发现是对科明团队2022年研究成果的拓展。当时，该团队探究了同一种材料碘化镍的磁性能。在微观层面上，碘化镍类似于由镍和碘原子组成的三角形晶格。镍是这种材料的主要磁性成分，因为镍原子上的电子具有自旋性，而碘原子上的电子则不具有自旋性。

在这些实验中，研究小组观察到，这些镍原子的自旋在整个材料晶格中呈螺旋状排列，而且这种排列可以以两种不同的方向螺旋上升。

当时，科明还不知道这种独特的原子自旋模式可以实现周围电子自旋的精确切换。合作者拉斐尔-费尔南德斯（Rafael Fernandes）后来提出了这种可能性，他和其他理论家一起，对最近提出的一种新的、非常规的 “p 波 ”磁体的想法感到非常好奇，在这种磁体中，材料中沿相反方向运动的电子会使它们的自旋向相反的方向排列。

NiI₂中自旋极化的DFT研究

费尔南德斯和他的同事认识到，如果材料中原子的自旋形成科明在碘化镍中观察到的几何螺旋排列，这就是 “p 波”磁体的实现。那么，当施加电场以切换螺旋的“手性 ”时，也应该切换沿同一方向运动的电子的自旋排列。

换句话说，这样的 p 波磁体可以实现简单可控的电子自旋切换，并可用于自旋电子应用。

科明说：“这在当时是一个全新的想法，我们决定进行实验测试，因为我们意识到碘化镍是显示这种 p 波磁铁效应的良好候选材料。”

NiI₂的极化转换

旋转电流

在新的研究中，研究小组首先在结晶基底上沉积各自元素的粉末，然后将其放入高温炉中，合成了单晶片状碘化镍。这一过程会使元素沉淀成层，每一层在微观上都是由镍和碘原子组成的三角形晶格。

科明说：“从炉子里出来的是几毫米宽、几毫米薄的样品，就像饼干面包一样。然后，我们对材料进行剥离，剥离出更小的薄片，每片宽几微米，薄几十纳米。”

研究人员想知道，镍原子自旋的螺旋几何形状是否真的会迫使向相反方向运动的电子具有相反的自旋，就像费尔南德斯预期的 p 波磁体应该表现出来的那样。为了观察这一点，研究小组对每片薄片施加了一束圆偏振光--这种光产生的电场沿特定方向旋转，例如顺时针或逆时针。

NiI₂中的圆偏振光电效应(CPGE)

他们推断，如果与自旋螺旋相互作用的行进电子的自旋方向一致，那么沿同一方向偏振的入射光就会产生共振并产生特征信号。这样的信号将证实，由于螺旋构造，行进电子的自旋方向是一致的，此外，这种材料实际上表现出了 p 波磁性。

果然，研究小组发现了这一点。在用多个碘化镍片进行的实验中，研究人员直接观察到，电子自旋的方向与激发这些电子的光的手性相关。这是首次观察到的 p 波磁性的明显特征。

在此基础上，他们又进一步研究，试图通过在材料中沿不同方向施加电场或少量电压来切换电子的自旋。他们发现，当电场的方向与自旋螺旋的方向一致时，这种效应会使沿线的电子向同一方向旋转，从而产生类似旋转的电子流。

科明解释道：“有了这样的自旋电流，你就可以在设备层面做一些有趣的事情；例如，你可以翻转磁畴，用来控制磁位。这些自旋电子效应比传统电子技术更有效，因为你只是在移动自旋，而不是移动电荷。这意味着你不会受到任何产生热量的耗散效应的影响，而这正是计算机发热的根本原因。”

不同磁序态下的自旋分裂

宋补充说：“我们只需要一个小电场来控制这种磁场切换。P 波磁铁可以节省五个数量级的能量。这是一个巨大的进步。”

德国德累斯顿马克斯-普朗克研究小组负责人利博尔-什梅卡尔（Libor Šmejkal）说：“我们很高兴看到这些尖端实验证实了我们对p波自旋极化态的预测，”他是提出p波磁性概念的理论工作的作者之一，但没有参与新论文的撰写。“电可切换 p 波自旋极化的展示也凸显了非常规磁态的应用前景。”

研究小组在碘化镍薄片中观察到了p波磁性，但仅限于约60开尔文的超低温。

科明说：“这低于液氮温度，在应用中不一定实用，但既然我们已经认识到了这种新的磁性状态，下一个前沿领域就是在室温下找到具有这些特性的材料。然后，我们就可以将其应用于自旋电子设备。”

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