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中佛罗里达大学研究人员发现一种可能重塑未来电子学的异常磁态

October 4, 2026AIC Engineering

中佛罗里达大学科学家在一种新确认的层状交变磁材料Co₁/₄TaSe₂中，直接观察到动量依赖的自旋分裂现象。在该材料中，相反的电子自旋发生分离并反转极化，且不会产生净磁场。这一发现为未来基于自旋的电子学器件研究提供了极具潜力的全新实验平台，有望推动低功耗、超高速信息处理技术的发展。

正文

本文由骏材磁应用（AIC Engineering）转载。所有权利归原出版商所有；请参阅下方来源。

中佛罗里达大学研究人员发现一种可能重塑未来电子学的异常磁态 在一种新确认的层状交变磁材料中，相反的电子自旋发生分离且不会产生净磁场。

科学家们在Co₁/₄TaSe₂中直接观察到了动量依赖的自旋分裂，提供了实验证据，证明该层状材料中存在一种被称为交变磁性的异常磁态。

自旋分辨测量表明，即使该材料没有整体磁化强度，具有相反自旋的电子也会在动量空间中分离并反转极化。

由于Co₁/₄TaSe₂属于一类可以减薄并组合成异质结构的层状材料家族，它可能成为研究未来基于自旋的电子学的有用平台，尽管实用器件仍是一个更长远的目标。

未来的计算机可能不仅利用电子的电荷来传递信息。一个快速发展的领域——自旋电子学，旨在利用另一个基本属性——电子自旋，来创造能够在消耗更少能量的同时以极高速度处理信息的器件。

一种新研究的材料可能为研究人员提供一种异常灵活的方式来探索这种可能性。由中佛罗里达大学领导的科学家们在Co₁/₄TaSe₂（一种由钴、钽和硒制成的层状化合物）中发现了交变磁性的强烈实验证据。

交变磁性结合了通常存在于铁磁体和反铁磁体之间的特征。其结果是一种没有大整体磁场，但具有强烈自旋依赖电子态的材料，这些电子态有可能被用于移动和操纵信息。

这些发现发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，确立了Co₁/₄TaSe₂作为研究一种磁性形式的新实验平台，这种磁性形式已从理论预测迅速走向实验室观测。

磁性的第三条路径

铁磁体是常见永磁体背后的材料。它们的微观磁矩倾向于沿同一方向排列，产生整体磁化强度。这种特性对于存储和读取信息很有价值，但延伸到材料外部的磁场可能会干扰附近的组件。

传统的反铁磁体解决了部分问题。它们相邻的磁矩指向相反的方向，很大程度上抵消了整体磁场。这使得它们对密集封装的电子器件具有吸引力，尽管缺乏净磁化强度也会使其内部状态难以控制和检测。

交变磁体占据了一个不寻常的中间地带。它们的磁矩也相互补偿，基本上不产生净磁化强度，但其晶体的对称性允许具有相反自旋的电子根据其动量占据不同的能态。

这种自旋分裂类似于铁磁体的一个重要特性，且不需要永久的宏观磁场。

“这些材料与更传统的反铁磁体的区别在于，它们能够产生和检测自旋电流，而不会产生杂散场的负面影响，”中佛罗里达大学物理学家Madhab Neupane说。

研究人员直接绘制了电子图谱

为了测试Co₁/₄TaSe₂，研究人员使用了角分辨光电子能谱（通常称为ARPES）。该技术将光子照射到材料上并测量从其表面发射的电子，使科学家能够重建电子能量与动量之间的关系。

测量在远低于材料178开尔文的磁转变温度下进行。在低温下，钴磁矩形成有序的磁排列，其中自旋在各个层内对齐，但在相邻层之间指向相反。

初步的ARPES测量揭示了电子能带的特征性分裂。这种分离的大小取决于动量空间中的方向，并与基于密度泛函理论的计算紧密匹配。

随后，研究人员使用自旋分辨ARPES来确定明显分离的能带是否确实携带不同的自旋态。

结果确实如此。在一个突出的电子特征上，测量的自旋极化从大约负13%变为正13%。因此，当研究人员在动量空间中移动时，主导自旋发生了翻转，这与交变磁体预测的交替模式相匹配。

“我们的方法是使用对电子自旋不敏感的高分辨率方法来测量能级的分裂，”Neupane说。“然后，我们用自旋分辨ARPES补充了这一测量，以确凿地判断这是否看起来像交变磁性。”

出现了六重自旋模式

电子结构展示了物理学家所称的g波交变磁分裂。自旋特征并没有简单地分离成自旋向上和自旋向下的区域，而是随着动量围绕材料电子结构的变化，自旋特征交替了六次。

某些对称方向保持自旋简并，这意味着相反自旋的电子在那里保留了相同的能量。然而，偏离这些方向，分裂就会增加。

温度实验提供了另一个测试。研究人员将处于深度磁有序相的7开尔文材料与高于其178开尔文转变温度的200开尔文测量结果进行了比较。

独特的低温电子特征在转变温度以上减弱或消失。再次冷却样品后它们恢复了，这将观察到的能带重建与磁有序联系起来，而不是晶体的无关特征。

“一旦实验测量结果与我们的理论预测一致地匹配，其重要性就变得清晰了，”Neupane说。“看到这些独立的证据汇聚在一起，让我们有信心确认我们发现了一种真正的层状交变磁体。”

层状结构使这种材料特别有用

Co₁/₄TaSe₂属于过渡金属二硫属化物家族，这是一组原子层通过相对较弱的范德华力结合在一起的材料。

这种结构很有吸引力，因为研究人员可以潜在地分离薄层或将它们与其他材料堆叠。类似的方法已经产生了具有电子、磁性、超导和拓扑特性的人造结构，而这些特性在传统块体材料中是不可用的。

在Co₁/₄TaSe₂中，钴原子占据钽-硒层之间的空间。这些钴原子提供磁性，同时也与负责传导的电子相互作用。

研究人员发现，磁性既没有完全局限于单个钴原子上，也没有完全散布在整个材料中。相反，该系统似乎处于这两个极端之间，钴电子对费米能级附近的电子态有实质性贡献。

这种组合可能使该化合物在研究交变磁性如何与超导性、拓扑电子态和故意设计的界面相互作用方面非常有用。

器件应用仍是未来目标

自旋电子学旨在利用电子自旋而不是完全依赖移动电荷来编码或传输信息。原则上，交变磁体可以提供快速的自旋动力学、强烈的自旋极化电流和最小的杂散场干扰。

这些特性促使研究人员讨论从高密度存储器到太赫兹电子学的各种可能应用。然而，Co₁/₄TaSe₂目前还不是一个可工作的电子元件，其178开尔文的磁有序温度仍远低于室温。

科学家们仍需确定在薄型器件中，其磁态能够多可靠地被切换、读取和控制。他们还需要了解当该材料被减少到只有几层或与其他量子材料结合时的行为。

目前，其重要性在于提供了一个高度可调的实验室来回答这些问题。交变磁性仍然是一个年轻的领域，但像Co₁/₄TaSe₂这样的层状化合物可以帮助弥合发现该现象与了解其最终是否能成为有用技术之间的差距。

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