第三種磁性獲證實：物理學家在 MnTe 中確認交變磁性

近九十年來，物理教科書一直把磁體分成兩種，而這種分類現在被打破了。美國能源部 SLAC 國家加速器實驗室牽頭的一個團隊本週在《科學》雜誌上報告，他們已經拿出確鑿的實驗證據，證明第三種磁相——交變磁性（altermagnetism）——存在於碲化錳（MnTe）這種材料中。這類成果不只是給一個領域增加一條事實，而是給教科書增加一章。

舊的圖景簡單得可以裝進腦子裡。在鐵磁體中，電子的自旋——其內稟角動量，指向「上」或「下」——全部朝同一方向排列，產生能把紙條吸在冰箱門上的磁場。人類自古以來就在使用鐵磁體。1933 年，物理學家發現了第二種：反鐵磁體，自旋上下交替、相互抵消，不產生淨磁效應。這種二分法維持了近一個世紀，直到一些材料開始「不守規矩」。它們有著反鐵磁體的交替自旋，卻又能像鐵磁體那樣承載自旋極化電流——兩種本被認為互斥的行為。2022 年，研究人員給這類「異類」起了個名字：交變磁體。

這個名字背後的理論是一個幾何扭轉。交變磁體的自旋像反鐵磁體那樣交替，但「上」自旋周圍的晶格相對於「下」自旋周圍的晶格發生了旋轉。這種對稱性破缺，按理論，應該賦予材料一種手性——像左手戴不進右手手套那樣——而普通反鐵磁體沒有這種手性。到 2024 年，已有幾條證據指向這個方向，但決定性的一環仍然缺失：沒有人直接觀測到手性本身。

這正是 SLAC 牽頭的團隊要找的東西，他們在 MnTe 中找到了它。MnTe 長期以來被歸類為普通的反鐵磁體。團隊在法國的歐洲同步輻射裝置（ESRF）工作，利用一條能產生精密偏振 X 射線的光束線，向材料發射圓偏振 X 射線，比較它對左旋光和右旋光的不同響應。非手性材料對兩束光的散射完全相同；MnTe 不是這樣。手性信號很清晰，團隊在 2025 年初重複實驗時，信號依然成立。第一作者丹尼爾·約斯特稱，這是「堅實的實驗證據，足以說明交變磁性自成一類」。

物理系之外的人為什麼要在意？因為自旋電子學——用電子的自旋連同電荷一起構建電子器件的努力，有望造出更快、更耐用、能耗低得多的器件，這對數據中心來說是實實在在的考量。兩種舊磁體各有相反的短板。鐵磁體太容易受干擾：用約斯特的話說，你口袋裡的一塊永磁體，走過一台鐵磁體器件旁邊就可能翻轉它的位元。反鐵磁體解決了穩定性問題，卻幾乎「看不見」，把數據讀出來、或驅動有用的自旋電流都很困難。交變磁體有望同時做到兩點：淨磁化為零因而穩定，又能產生讀取資訊所需的自旋極化電流。正是這種組合，讓這篇論文指向儲存器件、量子技術和數據中心，而不是博物館的架子。

有兩個坦白的提醒，都很重要。第一，這是在一種材料上、用一種團隊的技術得到的證明；接下來這個領域必須證明這種特徵具有普遍性，並且交變磁態可以用光和電來調控——研究人員已把這列為下一步。第二，目前還沒有器件問世。從同步輻射光束線到儲存晶片之間隔著多年的材料工程，而許多漂亮的物理學永遠走不完這段路。令人鼓舞的是速度：這個概念 2022 年才被命名，四年內就從設想走到了直接實驗證實。就在幾天前，另一個團隊報告在一種扭轉的二維結構中觀測到了交變磁性，說明對新交變磁材料的搜尋已經不侷限於 MnTe。

我覺得最耐人尋味的是更深層的一點。二分體系維持了九十年，不是因為大自然整齊，而是因為我們的儀器看不到那個扭轉。更好的光束線、關於手性的更敏銳的問題，讓一個看似已經定論的分類原來並不完整。這對任何自以為已經完備的領域都是有益的提醒：有時候第三種選項不是前兩種的折中，而是某種真正新的東西，就藏在幾何結構裡。