近日，由美国能源部SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）领衔的研究团队在学术期刊《科学》（Science）上发表了一项具有里程碑意义的研究成果。研究人员通过强有力的实验证据，证实了“交变磁性”（altermagnetism）这一独立磁性相的真实存在。该相巧妙地融合了传统两大磁性类别的核心特征，为基础物理学开辟了全新前沿。
SLAC与斯坦福材料与能源科学研究所的副科学家、该研究的第一作者Daniel Jost解释道：“在过去的几年里，科学家们观察到了一些无法简单归类于铁磁性或反铁磁性二分法的物理现象。研究界一直在搜集证据，证明存在一种能够桥接这两种特性的大桥——第三类磁性。我们相信，此次的研究结果为‘交变磁性’这一第三磁性相的真实性提供了坚实的实验证实。”
在该项研究中，科学家们将目光聚焦于碲化锰（MnTe）——一种长期被归类为反铁磁体的材料。在早期研究的基础上，研究团队成功识别出了该材料磁性结构中具有独特不对称性的手性（chirality）直接证据。这种独特的物理属性类似于螺旋楼梯或螺丝钉向特定方向旋转的几何特征，正是交变磁性存在的关键标志。
除了对基础物理学的重大意义外，这一发现还有望助力研究人员开发出适用于未来先进计算技术的磁性材料，应用场景涵盖高级存储系统、量子器件以及能效更高的数据中心。
传统两大磁性类别的物理本质
磁性在人们的日常生活中随处可见，无论是冰箱贴还是指示方向的指南针。然而，这些宏观现象背后的微观物理机制却远比表面上看起来的更为复杂。
在原子尺度上，磁性与电子的一种量子属性——自旋（spin）息息相关。虽然自旋并不等同于电子像小球一样在真正旋转，但它在某些方面表现得如同电子具有自身的角动量。科学家通常将这两种可能的自旋取向描述为“向上”和“向下”。当这些自旋排列成特定的空间模式时，材料就会表现出宏观磁学特性，但这并不意味着它一定会产生可被外部探测到的磁场。
在铁磁材料（ferromagnets）中，电子自旋朝向同一方向（全向上或全向下）。它们的叠加效应会产生普通磁铁所特有的宏观磁场，人类利用这类材料的历史已有数千年。
1933年被识别出的第二大类则是反铁磁体（antiferromagnets）。在反铁磁材料中，相邻的电子自旋指向相反的方向（上-下-上-下）。由于相邻的磁性贡献相互对抗并完美抵消，因此对外不表现出宏观磁化强度。
挑战旧规则的“第三类磁性”
近九十年以来，上述两大分类构成了人类理解材料中磁有序现象的基础框架。然而，近年来的一些实验观测开始暴露出这两种传统分类均无法完全解释的奇异行为。
一些材料表现出交替排列的电子自旋且没有净磁化强度，这与反铁磁体如出一辙；但与此同时，它们却能够支持有用的自旋流（spin currents）——这通常是铁磁性行为的专属特征。自旋流允许信息通过电子的自旋属性进行传输，而无需完全依赖电子的电荷移动。
这种不同寻常的特性组合暗示科学家们正在接触某种本质上全新的事物。2022年，研究人员正式提出了“交变磁体”（altermagnets）这一概念，用来指代归属于这一提议中的第三磁性类别的材料。
这其中的核心差异在于材料内部原子的排列方式。交变磁体同样拥有交替的自旋取向（上-下-上-下），但其相反自旋周围的晶体结构彼此之间存在特定角度的旋转。这种旋转打破了常规反铁磁体中所存在的一种对称性。尽管这一区别十分微妙，但它却能极大地改变电子的行为方式，使交变磁体能够兼具曾经被认为彼此排斥的物理特性。
利用强X射线揭示隐藏的磁性特征
为了探究该材料的非同寻常属性，研究团队前往法国的欧洲同步辐射装置（ESRF）开展了关键实验。该设施的ID32光束线能够产生精确受控的偏振X射线，使科学家能够探测到其他手段极难捕捉的微妙磁性结构。
研究人员选用了圆偏振X射线，其电场在光传播过程中会呈左旋或右旋方向旋转。通过测量材料对这两种形态光的散射情况，研究人员得以寻找手性的确凿证据。“手性材料对左旋偏振X射线的散射方式与右旋偏振光不同，”Jost解释道，“而非手性材料对两束光的散射方式则完全相同。”
实验结果显示，碲化锰与这两种X射线偏振态相互作用时表现出了明显的差异。这种独特的的手性响应正是交变磁性理论所预期的信号，而在常规反铁磁体中绝无可能出现。
研究人员于2024年首次完成了该项实验，并于2025年初重返实验室重复了测量，成功复现了实验结果，进一步巩固了这一全新磁性相的证据链。
交变磁性对未来计算机与自旋电子学的变革意义
这一重大发现可能对自旋电子学（spintronics）产生深远影响。自旋电子学是一个新兴领域，旨在利用电子自旋来开发性能更卓越的电子器件。传统电子学主要通过控制电子的电荷来存储和处理信息，而自旋电子学则通过引入电子自旋开辟了全新的信息处理维度。这将使器件运行速度更快、抗干扰能力更强，且能耗大幅降低。
然而，传统的两大类磁性各自存在阻碍自旋电子学系统发展的固有痛点：铁磁体极易受到外部磁场干扰，可能导致存储信息紊乱；而反铁磁体虽然稳定，但由于对外“隐身”，导致其存储的数据极难读取。
相比之下，交变磁体完美兼顾了两者的优势：它们没有净磁化强度，因此具备极高的抗干扰稳定性；同时，其独特的电子结构又能够产生用于提取信息的自旋极化流。这种独特的结合赋予了研究人员全新的设计自由度。
确认交变磁性的存在，为科学界提供了一类全新的材料宝库，有望彻底克服制约传统自旋电子器件发展的应用瓶颈。未来的核心研究方向将是如何利用光和电等外部刺激来精准操控交变磁性状态，从而加速量子技术、计算机存储及高效数据中心实用化器件的研发进程。