第三种磁性获证实：物理学家在 MnTe 中确认交变磁性

近九十年来，物理教科书一直把磁体分成两种，而这种分类现在被打破了。美国能源部 SLAC 国家加速器实验室牵头的一个团队本周在《科学》杂志上报告，他们已经拿出确凿的实验证据，证明第三种磁相——交变磁性（altermagnetism）——存在于碲化锰（MnTe）这种材料中。这类成果不只是给一个领域增加一条事实，而是给教科书增加一章。

旧的图景简单得可以装进脑子里。在铁磁体中，电子的自旋——其内禀角动量，指向"上"或"下"——全部朝同一方向排列，产生能把纸条吸在冰箱门上的磁场。人类自古以来就在使用铁磁体。1933 年，物理学家发现了第二种：反铁磁体，自旋上下交替、相互抵消，不产生净磁效应。这种二分法维持了近一个世纪，直到一些材料开始"不守规矩"。它们有着反铁磁体的交替自旋，却又能像铁磁体那样承载自旋极化电流——两种本被认为互斥的行为。2022 年，研究人员给这类"异类"起了个名字：交变磁体。

这个名字背后的理论是一个几何扭转。交变磁体的自旋像反铁磁体那样交替，但"上"自旋周围的晶格相对于"下"自旋周围的晶格发生了旋转。这种对称性破缺，按理论，应该赋予材料一种手性——像左手戴不进右手手套那样——而普通反铁磁体没有这种手性。到 2024 年，已有几条证据指向这个方向，但决定性的一环仍然缺失：没有人直接观测到手性本身。

这正是 SLAC 牵头的团队要找的东西，他们在 MnTe 中找到了它。MnTe 长期以来被归类为普通的反铁磁体。团队在法国的欧洲同步辐射装置（ESRF）工作，利用一条能产生精密偏振 X 射线的光束线，向材料发射圆偏振 X 射线，比较它对左旋光和右旋光的不同响应。非手性材料对两束光的散射完全相同；MnTe 不是这样。手性信号很清晰，团队在 2025 年初重复实验时，信号依然成立。第一作者丹尼尔·约斯特称，这是"坚实的实验证据，足以说明交变磁性自成一类"。

物理系之外的人为什么要在意？因为自旋电子学——用电子的自旋连同电荷一起构建电子器件的努力，有望造出更快、更耐用、能耗低得多的器件，这对数据中心来说是实实在在的考量。两种旧磁体各有相反的短板。铁磁体太容易受干扰：用约斯特的话说，你口袋里的一块永磁体，走过一台铁磁体器件旁边就可能翻转它的比特。反铁磁体解决了稳定性问题，却几乎"看不见"，把数据读出来、或驱动有用的自旋电流都很困难。交变磁体有望同时做到两点：净磁化为零因而稳定，又能产生读取信息所需的自旋极化电流。正是这种组合，让这篇论文指向存储器件、量子技术和数据中心，而不是博物馆的架子。

有两个坦白的提醒，都很重要。第一，这是在一种材料上、用一种团队的技术得到的证明；接下来这个领域必须证明这种特征具有普遍性，并且交变磁态可以用光和电来调控——研究人员已把这列为下一步。第二，目前还没有器件问世。从同步辐射光束线到存储芯片之间隔着多年的材料工程，而许多漂亮的物理学永远走不完这段路。令人鼓舞的是速度：这个概念 2022 年才被命名，四年内就从设想走到了直接实验证实。就在几天前，另一个团队报告在一种扭转的二维结构中观测到了交变磁性，说明对新交变磁材料的搜寻已经不局限于 MnTe。

我觉得最耐人寻味的是更深层的一点。二分体系维持了九十年，不是因为大自然整齐，而是因为我们的仪器看不到那个扭转。更好的光束线、关于手性的更敏锐的问题，让一个看似已经定论的分类原来并不完整。这对任何自以为已经完备的领域都是有益的提醒：有时候第三种选项不是前两种的折中，而是某种真正新的东西，就藏在几何结构里。