网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

《自然》子刊:美国发现第三磁性!或改变电脑工作方式

0
分享至

你手里的电脑和手机,正在逼近物理极限的悬崖。

数十亿枚晶体管密密麻麻挤在指甲盖大小的硅片上,当电子像潮水一样在电路中奔涌穿行时,电阻产生的废热与漏电,正让整个芯片架构撞上一堵难以逾越的“功耗墙”。

如果让计算不再依赖电子电荷的蛮力奔跑,而是驾驭电子内在的微小罗盘——“自旋”,计算机的速度将大幅提升,发热与能耗也将被压缩至微弱的极限。

但几十年来,物理学界一直被磁性材料的天然缺陷卡着脖子:普通的磁铁(铁磁)信号强烈,却会散发杂散磁场,元件靠得太近就会互相“打架”串扰;另一种磁体(反铁磁)倒是没有漏磁,内部的自旋却互相抵消得一干二净,想读出信号难如登天。

打破这个僵局的,是一种颠覆传统教科书的新物种——交替磁性(Altermagnetism)。

来自美国中佛罗里达大学(UCF)等团队在《自然·通讯》上发表重磅实验成果:研究团队在一种可剥离的层状插层材料中,通过角分辨光电子能谱(ARPES)直接观测到了交替磁性特有的能带自旋分裂。

人类第一次在如此轻薄、易调控的层状物理平台上,牢牢抓住了这枚通往下代自旋计算的关键拼图。


01、百年磁性分类,为何被它生生撕开一个缺口?

在凝聚态物理的经典图景里,宏观长程磁序近一个世纪以来基本被视作非黑即白的二元世界:

铁磁性(FM):电子自旋像阅兵式上的士兵一样整齐划一,朝同一个方向排列。这带来了强烈的外部磁场,可读写信息极快,但强磁场会形成“漏磁”,芯片元件越密,邻近电路就越容易被误伤瘫痪。

反铁磁性(AFM):相邻电子自旋针锋相对、一上一下精确抵消,对外表现为“零宏观磁化”。虽然绝无漏磁干扰,但因为内部电子态是对称简并的,工程师几乎无法利用它稳定产生和读取自旋电流。

鱼与熊掌,似乎从来不可兼得。

直到近年来,物理学家从晶体旋转与晶格镜像的更深层对称性中,推导出了磁学领域的第三种独立物相——交替磁体。

它的神奇之处在于巧妙融合了两者的长处:宏观上,它具备反铁磁的特质,相反方向的自旋在空间晶格里相互补偿,对外净磁场完全为零,能减少杂散磁场串扰;可一旦深入动量空间的微观世界,它的电子能带却像铁磁体一样,自发裂开成鲜明对称的自旋上下轨道(非相对论性交换分裂),甚至能级分裂能达到电子伏特(eV)量级!

既不给邻居添乱,自己又能输出强悍的自旋电流。这项长期停留在纯理论推导上的设想,终于在实验台上露出了真容。


02、在“千层饼”里抓拍自旋:它是怎么被证实的?

证实这一现象最大的难关,在于以往找到的疑似材料多是坚硬的三维块状晶体,难以加工和制备成纳米薄膜器件。

中佛罗里达大学团队选择了一条绝妙的材料路线:过渡金属二硫族化合物(TMDs)。

这种材料就像一层层极薄的千层饼,层与层之间靠微弱的范德华力连接,可以被轻易撕成超薄纳米薄膜。研究人员在二硒化钽( TaSe₂ )的层间,精巧地嵌入了钴(Co)原子,人工合成了化学式为 Co₁/₄TaSe₂ 的晶体。

为了验证它是否具备交替磁性,实验必须跨越严苛的物理检测:

磁化率与输运测量:在178 K(约零下95摄氏度)的奈尔温度以下, 样品进入明确的 A 类反铁磁态:层内自旋方向一致,但层间自旋方向严格反向抵消,使得材料在宏观上净磁场完全为零,对外的磁化率随着降温显著下降。

光电效应里的“自旋显微镜”:团队利用高分辨率角分辨光电子能谱(ARPES)与自旋分辨光电子能谱(Spin-ARPES),轰击样品表面并测量飞出电子的动量与能量分布。

抓拍到教科书级的“自旋交替”:实验测量显示,材料内部的电子展现出了一种奇特的“方向感”:电子朝着不同动量方向运动时,自旋方向会呈现六重交替反转(物理上称为g波对称)。在微观能带上,研究人员精准测量到了自旋分裂出的清晰双峰,自旋极化率也随之呈现规律的正负反转(在 -13% 与 +13% 之间跳跃),直接印证了交替磁性的理论预言。

当温度被加热越过178 K的临界点后,这种特殊的能带自旋分裂随之闭合平复。

理论预测与实验图谱在毫米级的洁净解理面上严丝合缝地重叠,宣告了这种层状交替磁体的真实存在。


03、从材料到电脑:自旋计算究竟离我们还有多远?

每一次物理学基石的拓宽,都会引发产业界无限的遐想。但面对实验室前沿,依然需要一份清醒的审视:

178 K仍是低温门槛:关键能谱测量在极低温下完成,而材料的磁有序转变温度约为零下95℃。怎样让相关性质在室温下稳定工作,是走向应用必须跨过的门槛。

基础理论仍有留白:电子在微观下究竟是如何在巡游态与局域态之间博弈、从而让交替磁序压倒其他竞争相的,物理学界仍在完善微观微扰模型。

从薄膜到器件的工程天堑:从高真空超导光束线站里的单晶样品,到工业级半导体产线上的光刻与微纳加工,中间还隔着巨额的工艺摸索周期。

但这项发现最深远的价值在于:它把交替磁性从“只能看不能用”的笨重块体,带进了可以被任意组装、扭转、剥离的二维范德华世界。

未来,科学家可以像拼积木一样,将它与石墨烯、超导体紧密贴合制成纳米异质结,为超快存储芯片、太赫兹通信网络以及极低功耗的人工智能处理器,铺设一条全新的底层硬轨道。

04、过刚者易折,相济者致远

审视微观世界里这抹神奇的磁序,很难不让人为自然的造化心生敬意。

铁磁锋芒毕露,自旋向着同一个方向狂奔,虽然耀眼,却在身旁激起四处散逸的杂散乱场,逼得周遭元件退避三舍;反铁磁藏锋于内,自旋两两相对互不相让,虽然没有了侵扰,却也把内里的气力尽数抵销,成了沉默不语的哑巴。

而交替磁性,却在看似矛盾的对立中,走出了一条两全之道:外不争声色以全大局,内怀瑾握瑜以蓄精锐。

涉过半生风浪,人生的修为往往也在这进退虚实之间。

年轻时做人做事,总像一块刚烈的铁磁,锋芒尽露、寸步不让,走到哪里都带着逼人的气场,却不知不觉在身边激起了层层暗流与内耗;后来吃了些苦头,又容易走向另一个极端,缩进坚硬的壳里随波逐流,看似波澜不惊,心底的那点光焰却被消磨殆尽。

行至水深方识度,心藏山壑自从容。

世间最高明的生活姿态,从不是剑拔弩张地向外争雄,更不是心灰意冷地自废武功。

对世事多一份宽厚沉静的留白,对外物少一些横冲直撞的执念;而在无人打扰的心神深处,依然稳稳守住自己的热爱与原则,存一份不向岁月妥协的气力。

外圆以处世,内方以修身。在纷繁复杂的人间烟火里,不扰外物,不负本心,方能走得沉稳,行得深远。

科学在拓荒,时代在奔流。如果你喜欢这篇文章,请顺手点一下(赞)和❤️(在看),并转发↗️给你身边每一位关心物理科技与未来趋势的家人与朋友!

参考资料:

Sprague, M., Mondal, M. I., Sakhya, A. P., et al. (2026). Observation of Altermagnetic Spin-Splitting in an Intercalated Transition Metal Dichalcogenide.Nature Communications, 17: 9935. DOI: 10.1038/s41467-026-76784-x.

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
男子在香港住酒店下楼抽烟2分钟,行李箱内30公斤黄金被换成柔顺剂;警方:系同行朋友精心策划,已拘捕2人,成功追回全部黄金

男子在香港住酒店下楼抽烟2分钟,行李箱内30公斤黄金被换成柔顺剂;警方:系同行朋友精心策划,已拘捕2人,成功追回全部黄金

大风新闻
2026-10-08 23:29:07
反转来了!让空姐跪下道歉男子恐彻底“社死”,东航态度一目了然

反转来了!让空姐跪下道歉男子恐彻底“社死”,东航态度一目了然

皮皮电影
2026-10-09 11:05:40
全网都在吹捧中国第一,只有我敢说出真实差距

全网都在吹捧中国第一,只有我敢说出真实差距

青苹果sht
2026-10-05 14:01:35
广厦不敌青岛,他们已巅峰不复,球迷无奈

广厦不敌青岛,他们已巅峰不复,球迷无奈

体育篮球弟
2026-10-10 04:47:58
性专家说:当一个异性开口跟你要钱,要礼物,不管对方是不是想试探你的真心,你都应该明白,你已被对方列入供养者行列

性专家说:当一个异性开口跟你要钱,要礼物,不管对方是不是想试探你的真心,你都应该明白,你已被对方列入供养者行列

心理观察局
2026-08-05 06:46:04
马竞发文讽刺皇马:恭喜证明全球医学界都错了

马竞发文讽刺皇马:恭喜证明全球医学界都错了

热血体育社
2026-10-10 04:54:44
中美贸易近5600亿美元,为何美联储一加息,中国便加速本币结算?

中美贸易近5600亿美元,为何美联储一加息,中国便加速本币结算?

风雨与阳光
2026-10-09 17:21:25
全红婵不对劲,不是她以后不比赛了,而是她今年19岁了,居然开始了自己的精致路线

全红婵不对劲,不是她以后不比赛了,而是她今年19岁了,居然开始了自己的精致路线

LULU生活家
2026-09-30 20:32:43
“就插了几下,没流血,应该没事吧?”一次几十秒的无套插入,感染艾滋的风险到底有多大?

“就插了几下,没流血,应该没事吧?”一次几十秒的无套插入,感染艾滋的风险到底有多大?

天同防艾
2026-08-19 12:27:44
前王妃梅根在伦敦街头,皮肤黑、瘦成皮包骨,一脸褶子身上很多斑

前王妃梅根在伦敦街头,皮肤黑、瘦成皮包骨,一脸褶子身上很多斑

小嵩
2026-10-09 13:39:27
炸锅!沙利文承认:主动权已不在美国手里,中国在跑另一场比赛!

炸锅!沙利文承认:主动权已不在美国手里,中国在跑另一场比赛!

素颜为谁倾城人
2026-10-09 01:08:40
为什么有人满脸“老年斑”,有的却干干净净?

为什么有人满脸“老年斑”,有的却干干净净?

芹姐说生活
2026-09-15 00:00:02
房价很大可能重走1998年老路,大家要有心理准备

房价很大可能重走1998年老路,大家要有心理准备

麓谷隐士
2026-09-13 00:05:03
印尼正式宣布采购歼10CE,42架总价值90亿美元,美国折腾不出浪花了

印尼正式宣布采购歼10CE,42架总价值90亿美元,美国折腾不出浪花了

君明观世界
2026-10-09 07:30:19
人口告别世界第一?催生“二孩”无效后,国家终于向住房出手了!

人口告别世界第一?催生“二孩”无效后,国家终于向住房出手了!

混沌录
2026-05-30 23:41:14
浙江省大学排名前十名有哪些?浙江省大学排名2026最新排名一览表

浙江省大学排名前十名有哪些?浙江省大学排名2026最新排名一览表

解说阿洎
2026-10-09 15:42:35
北约已做好与俄开战准备?一旦与俄罗斯开战,第一时间斩首俄高层

北约已做好与俄开战准备?一旦与俄罗斯开战,第一时间斩首俄高层

墨兰史书
2026-10-09 15:15:09
亚运摘铜+三连败后,邵佳一重拳出击,征召3人重返国足,补强短板,启用归化大将

亚运摘铜+三连败后,邵佳一重拳出击,征召3人重返国足,补强短板,启用归化大将

宝哥精彩赛事
2026-10-09 08:12:44
国庆已然结束,,谁料今年最热门城市,,不是成都,,不是重庆,,它最意外!

国庆已然结束,,谁料今年最热门城市,,不是成都,,不是重庆,,它最意外!

书写传奇
2026-10-10 04:14:10
WTT中国大满贯10月10日(央视直播)完整赛程:国乒女双决赛抗日之战,王曼昱VS张本美和

WTT中国大满贯10月10日(央视直播)完整赛程:国乒女双决赛抗日之战,王曼昱VS张本美和

开成运动会
2026-10-10 00:53:02
2026-10-10 05:35:00
徐德文科学频道 incentive-icons
徐德文科学频道
传播最新最前沿最有趣的科学
5868文章数 70100关注度
往期回顾 全部

科技要闻

华为小米手机同日涨价,最高涨1000元

头条要闻

白宫新任新闻秘书人选公布 现任特朗普"真实社交"顾问

头条要闻

白宫新任新闻秘书人选公布 现任特朗普"真实社交"顾问

体育要闻

与C罗硬碰硬,一个72岁老人的倔强

娱乐要闻

吴奇隆宣布重要决定,走上谢霆锋老路

财经要闻

时隔12年,公募基金运作办法修订

汽车要闻

2027款深蓝L06及追风版上市 限时权益价11.49万元起

态度原创

时尚
健康
房产
数码
军事航空

时尚早知道!2027春夏十大流行趋势

痘坑留下后,还能填平吗?

房产要闻

475万人,猛增13.1%!国庆海南,又爆了?

数码要闻

华为WATCH Ultimate 2等手表HarmonyOS 7版本亮点公布,新增高尿酸风险评估研究等

军事要闻

直击南部战区海军某部重装空投训练

无障碍浏览 进入关怀版