科学家发现一种前所未见的新型磁性Altermagnetism

科学家发现一种前所未见的新型磁性Altermagnetism一名PSI科学家与用于确认发现地磁的仪器说到磁铁，人们通常会想到容易粘在冰箱上的东西，科学上称之为铁磁体。但在大约一个世纪前，人类发现了另一种磁性材料家族，它们不具有这种特性，并将其称为反铁磁体。材料行为的差异可归结为这些材料中磁矩（也称为电子自旋）的自发排列。电子自旋与铁磁体的方向相同，因此在靠近金属表面时会产生磁性。在反铁磁体中，电子自旋方向相反，产生的磁性被抵消。这导致它们无法粘在冰箱上。在变磁性中，电子自旋是交替的，不会产生净宏观磁性。但是，电子能带结构具有很强的自旋极化，可以在材料的能带中翻转。这就是这种材料被称为"变磁体"的原因。2019年，中国科学院物理研究所研究员托马斯-荣格沃思（TomasJungwirth）发现了一类磁性材料，其电子自旋与铁磁体或反铁磁体的电子自旋不一致。2022年，Jungwirth与美因茨大学的研究人员一起，提出了存在一类新磁体的理论。在研究过程中，研究小组发现了200多种材料，从绝缘体到半导体，甚至超导体，都可能是改变磁体的候选材料。为了证实这些材料中存在独特的自旋对称性，研究人员与瑞士的SLS公司合作。他们使用自旋和角度分辨光发射光谱来观察材料中的电子结构。瑞士SLS的表面/界面光谱（SIS）光束线仪器他们对碲化锰进行了测试，这种双元素材料通常被归类为反铁磁体。然而，这种材料显示出电子带分裂成两种不同的状态，很像铁磁体。这证实了这种材料确实是一种改变磁体。第三种磁性材料的发现有助于利用自旋电子学提供下一代磁性存储器。在传统电子学中，人们利用电子的电荷。然而，在自旋电子学中，电子的自旋状态也被用来存储信息。新兴的计算领域一直在使用铁磁体来开发此类设备。然而，这些材料所显示的宏观磁性令人担忧，因为它可能会促进比特之间的串扰。由于改磁体不显示净磁性，但具有很强的自旋效应，因此可以作为自旋电子学的理想候选材料。"超电磁实际上并不是什么非常复杂的东西。它是一种完全基本的东西，几十年来就在我们眼前，而我们却没有注意到它，"荣格沃思在一份新闻稿中说。"它存在于人们抽屉里的许多晶体中。从这个意义上说，现在我们将它公之于众，世界各地的许多人将能够研究它，从而产生广泛的影响。研究成果发表在今天的《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418703.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418703.htm

哈伯德激子：加州理工学院的物理发现可能会带来全新材料技术

哈伯德激子：加州理工学院的物理发现可能会带来全新材料技术加州理工学院的研究人员发现了哈伯德激子，这是一种磁性束缚的激子，为基于激子的技术应用提供了新的途径。技术中的激子激子是许多技术不可或缺的一部分，例如太阳能电池板、光电探测器和传感器。它们也是电视和数字显示屏中发光二极管的关键部分。在大多数情况下，激子对受到电力或静电力的束缚，也称为库仑相互作用。现在，在《自然物理学》上发表的一项新研究中，加州理工学院的研究人员报告称，检测到的激子不是通过库仑力束缚的，而是通过磁性束缚的。这是第一个检测这些所谓的哈伯德激子（以已故物理学家约翰哈伯德命名）如何实时形成的实验。在称为反铁磁莫特绝缘体的材料中，电子（球体）以原子晶格结构组织，使其自旋以交替模式向上（蓝色）或向下（粉色）。这是能量最小化的稳定状态。当材料受到光照射时，电子将跳跃到邻近的原子位点，在它曾经驻留的地方留下一个带正电的空穴（暗球）。如果电子和空穴彼此距离更远，它们之间的自旋排列就会受到干扰——自旋不再指向与其邻居相反的方向，如第二个面板所示——这会消耗能量。为了避免这种能量损失，电子和空穴倾向于保持彼此靠近。这是哈伯德激子背后的磁性结合机制。图片来源：加州理工学院“使用先进的光谱探针，我们能够实时观察磁束缚激子（哈伯德激子）的产生和衰变，”该研究的主要作者OmarMehio（奥马尔·梅希奥博士'23）说，他是加州理工学院最近的研究生，曾在与加州理工学院物理学教授DavidHsieh合作。梅希奥现在是康奈尔大学卡维利研究所的博士后研究员。“在大多数绝缘体中，带相反电荷的电子和空穴相互作用，就像电子和质子结合形成氢原子一样，”Mehio解释道。“然而，在一种称为莫特绝缘体的特殊材料中，光激发电子和空穴通过磁相互作用结合。”奥马尔·梅希奥.图片来源：加州理工学院潜在的应用和实验研究结果可用于开发新的激子相关技术或激子学，其中激子将通过其磁性进行操纵。Mehio表示：“哈伯德激子及其磁性结合机制与传统激子学范式截然不同，为开发传统激子系统根本无法实现的整个新技术生态系统创造了机会。在单一材料中使激子和磁性紧密交织可能会带来利用这两种特性的新技术。”为了产生哈伯德激子，研究人员将光照射到一种称为反铁磁莫特绝缘体的绝缘材料上。这些是磁性材料，其中电子自旋以重复、稳定的模式排列。光激发电子，电子跳跃到其他原子，留下空穴。“在这些材料中，当电子或空穴穿过晶格时，它们会留下一串磁激发，”Mehio说。“想象一下，你将一根弹力绳的一端绑在你的朋友身上，另一端绑在你自己身上。如果你的朋友逃离你，你会感觉到绳子把你拉向那个方向，你就会开始跟随。这种情况类似于光激发电子和它在莫特绝缘体中留下的空穴之间发生的情况。对于哈伯德激子，激子对之间的磁激发串起到了与连接你和朋友的绳索相同的作用。”谢大卫 图片来源：加州理工学院为了证明哈伯德激子的存在，研究人员使用了一种称为超快时域太赫兹光谱的方法，该方法使他们能够在非常低的能量尺度上寻找激子的非常短暂的特征。“激子不稳定，因为电子想要回到空穴中，”谢解释道。“我们有一种方法可以探测这种重组发生之前的短时间窗口，这使我们能够看到哈伯德激子流体是瞬时稳定的。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388961.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388961.htm

重塑磁性：麻省理工学院拓扑材料学研究迎来开创性进展

重塑磁性：麻省理工学院拓扑材料学研究迎来开创性进展最先进的X射线和中子光谱分析发现，拓扑材料晶体中拓扑奇异性的存在使磁性稳定在经典转变温度之上。图片来源：EllaMaruStudio由麻省理工学院核科学与工程系副教授李明达领导，麻省理工学院量子测量组研究生助理研究员、哈佛大学应用物理学博士生内森-德鲁克（NathanDrucker）与麻省理工学院量子测量组研究生ThanhNguyen和PhumSiriviboon合著的一项新研究正在挑战这一传统观点。这项公开发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）杂志上的研究首次证明，拓扑结构可以稳定磁有序，甚至远高于磁转变温度--磁性通常会在这一点上瓦解。德鲁克是这篇论文的第一作者，他说："我喜欢用这样一个比喻来描述为什么这能起作用，那就是想象一条河里满是圆木，圆木代表材料中的磁矩。要使磁性起作用，你需要所有这些圆木都指向同一个方向，或者它们之间有一定的规律。但在高温下，磁矩都朝向不同的方向，就像河流中的原木一样，磁性就会瓦解。"他继续说："但这项研究的重要意义在于，实际上是水在发生变化。我们所展示的是如果改变水本身的特性，而不是原木的特性，就可以改变原木之间的相互作用，从而产生磁性。"拓扑结构在增强磁性中的作用Li说，从本质上讲，这篇论文揭示了在CeAlGe（一种由铈、铝和锗组成的奇异半金属）中发现的被称为Weyl节点的拓扑结构如何显著提高磁性器件的工作温度，从而为广泛的应用打开大门。虽然拓扑材料已被用于制造传感器、陀螺仪等，但它们还被广泛应用于微电子、热电和催化设备等领域。Nguyen说，这项研究展示了在更高温度下保持磁性的方法，为更多的可能性打开了大门。在这种材料和其他拓扑材料中，人们已经展示了许多机会。这表明了一种可以显著提高这些材料工作温度的通用方法。加州理工学院物理、数学和天文学部物理学助理教授LindaYe补充说，这一"相当令人惊讶和反直觉"的结果将对拓扑材料的未来工作产生重大影响。研究工作表明，电子拓扑节点不仅在稳定静态磁序方面发挥作用，而且更广泛地说，它们可以在磁波动的产生方面发挥作用。由此得出的一个自然结论是，拓扑韦尔态对材料的影响可能远远超出人们之前的认识。普林斯顿大学物理学教授安德烈-伯内维格对此表示赞同，称这一发现"令人费解，也非常了不起。众所周知，Weyls节点受到拓扑学保护，但这种保护对相的热力学性质的影响并不十分清楚，麻省理工学院研究小组的论文表明，在有序温度之上的短程有序受该体系中出现的韦尔费米子之间的嵌套波矢量支配......这可能表明，韦尔节点的保护在某种程度上影响了磁波动！"揭开磁性之谜虽然这些令人惊讶的结果挑战了人们长期以来对磁性和拓扑学的理解，这是精心实验的结果，也是研究小组愿意探索那些可能被忽视的领域的结果。"我们的假设是，在磁转变温度之上没有新的发现，"Li解释说。"我们使用了五种不同的实验方法，以一致的方式创造了这个全面的故事，并将这个谜团拼凑在一起。"为了证明磁性在更高温度下的存在，研究人员首先在熔炉中将铈、铝和锗结合在一起，形成毫米大小的材料晶体。然后对这些样品进行了一系列测试，包括热导率和电导率测试，每项测试都揭示了这种材料不寻常磁性行为的线索。德鲁克说："不过，我们还采用了一些更奇特的方法来测试这种材料。我们用一束与材料中的铈的能级相同的X射线照射这种材料，然后测量光束的散射情况。这些测试必须在能源部国家实验室的一个大型设备中进行。最终，我们不得不在三个不同的国家实验室做类似的实验，以证明那里存在这种隐藏的秩序，我们就是这样找到了最有力的证据。"Nguyen说，"部分挑战在于，在拓扑材料上进行此类实验通常非常困难，而且通常只能提供间接证据。在这种情况下所做的就是使用不同的探针进行多项实验，把它们放在一起，就能给我们一个非常全面的故事。在这种情况下，有五六条不同的线索，还有一大串仪器和测量结果都在这项研究中发挥了作用"。影响和未来方向展望未来，研究小组计划探索拓扑结构与磁性之间的关系能否在其他材料中得到证明。他们相信这一原理具有普遍性。因此，这可能存在于许多其他材料中，它拓展了我们对拓扑学作用的理解。我们知道它可以在增加导电性方面发挥作用，现在我们已经证明它也可以在磁性方面发挥作用。未来的其他工作还将涉及拓扑材料的可能应用，包括它们在热电设备中的应用，这种设备可以将热量转化为电能。虽然这类设备已经用于为手表等小型设备供电，但其效率还不足以为手机或其他大型设备供电。"我们已经研究了许多优秀的热电材料，它们都是拓扑材料，"Li说。"如果它们能用磁性显示出这种性能......它们将释放出非常好的热电特性。例如，这将有助于它们在更高的温度下运行。现在，许多太阳能电池只能在很低的温度下运行，以收集废热。这样做的一个非常自然的结果就是它们能够在更高的温度下工作"。这项研究最终表明，虽然拓扑半金属材料已经研究了很多年，但人们对它们的特性了解相对较少。德鲁克说："我认为，我们的工作凸显了这样一个事实：当你观察这些不同的尺度，并使用不同的实验来研究其中一些材料时，事实上，一些非常重要的热电、电学和磁学特性就会开始显现出来。因此，我认为这不仅为我们如何将这些东西用于不同的应用提供了提示，也为我们如何更好地理解这些热波动效应的其他基础研究提供了跟进。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390435.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390435.htm

科学家展示了通过对多铁性材料施加应变来控制磁化方向的能力

科学家展示了通过对多铁性材料施加应变来控制磁化方向的能力用低电场引导磁化对于推动有效的自旋电子器件至关重要。在自旋电子学中，电子自旋或磁矩的特性被用于信息存储。通过应变改变轨道磁矩，就有可能操纵电子自旋，从而增强磁电效应，实现卓越性能。东京大学的JunOkabayashi等日本研究人员揭示了界面多铁氧体中的应变诱导轨道控制机制。在多铁氧体材料中，磁性可以通过电场来控制--这有可能带来高效的自旋电子器件。Okabayashi及其同事研究的界面多铁氧体由铁磁材料和压电材料之间的结点组成。材料的磁化方向可以通过施加电压来控制。界面多铁性结构和磁化方向控制。资料来源：TakamasaUsami研究小组展示了材料中大磁电效应的微观起源。压电材料产生的应变可以改变铁磁材料的轨道磁矩。他们利用可逆应变揭示了界面多铁磁性材料中特定元素的轨道控制，并为设计具有大磁电效应的材料提供了指导。这些发现将有助于开发耗电更少的新型信息书写技术。这项研究得到了日本学术振兴会、日本科学技术振兴机构、日本自旋电子研究网络和矢崎科学技术纪念基金会的资助。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1419501.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1419501.htm

麻省理工学院科学家发现极端条件下金属的“反直觉”行为

麻省理工学院科学家发现极端条件下金属的“反直觉”行为麻省理工学院的科学家们发现，铜等金属在加热和高速撞击时会变得更坚固，这对传统观点提出了挑战，并有可能增强用于太空和高速制造等极端环境的材料。金属受热后会变得更软，这就是铁匠如何通过将铁加热至滚烫将其塑造成复杂形状的原因。任何人将铜线与钢衣架进行比较，都会很快发现铜比钢柔韧得多。但麻省理工学院的科学家们发现，当金属被超高速运动的物体撞击时，情况恰恰相反：金属温度越高，强度越大。在这些对金属造成极大压力的条件下，铜实际上和钢一样坚固。这一新发现可能为极端环境下的材料设计带来新的方法，例如保护宇宙飞船或高超音速飞机的防护罩，或高速制造工艺的设备。麻省理工学院研究生伊恩-道丁和麻省理工学院材料科学与工程系前系主任、现任西北大学工程学院院长兼麻省理工学院客座教授克里斯托弗-舒赫最近在《自然》杂志上发表的一篇论文中描述了这一发现。反直觉的结果和潜在应用作者写道，这一新发现"违背直觉，与几十年来在不太极端条件下进行的研究相悖"。这些意想不到的结果可能会影响各种应用，因为这些撞击所涉及的极端速度经常发生在陨石撞击轨道上的航天器，以及用于制造、喷砂和某些增材制造（3D打印）工艺的高速加工操作中。研究人员用来发现这种效应的实验是将直径仅为百万分之一米的蓝宝石微粒射向平整的金属板。在激光束的推动下，这些微粒达到了每秒几百米的高速度。虽然其他研究人员偶尔也做过类似的高速实验，但他们往往使用更大的冲击器，即厘米或更大的冲击器。由于这些较大的撞击主要受到撞击冲击的影响，因此无法将机械效应和热效应区分开来。说明：麻省理工学院的科学家发现，当金属被高速运动的物体以极快的速度变形时，较高的温度会使金属变得更坚固，而不是更脆弱。图中，3个粒子以大致相同的速度撞击金属表面。随着金属初始温度的升高，反弹速度更快，颗粒弹得更高，因为金属也变得更硬而不是更软。图片来源：研究人员提供研究小组使用超高速摄像机跟踪粒子。研究数据中的这个序列显示了一个粒子飞入并从表面反弹的过程。资料来源：麻省理工学院新研究中的微小粒子在撞击目标时不会产生明显的压力波。但麻省理工学院经过十年的研究，才开发出以如此高的速度推动这种微小粒子的方法。"我们利用了这一点，"舒赫说，同时还利用了其他新技术来观测高速撞击本身。观察和调查结果他说："研究小组使用了超高速摄像机来观察粒子的来去。当粒子从表面反弹时，进入和飞出速度之间的差异"告诉你有多少能量沉积"到目标中，这是表面强度的指标。"研究人员使用的微粒由氧化铝或蓝宝石制成，"非常坚硬"。这些微粒直径为10到20微米（百万分之一米），厚度为头发丝的十分之一到五分之一。当这些微粒背后的发射台被激光束击中时，部分材料会汽化，产生一股蒸汽，将微粒推向相反的方向。研究小组使用超高速摄像机跟踪粒子。研究数据中的这个序列显示了一个粒子飞入并从表面反弹的过程。资料来源：麻省理工学院研究人员将微粒射向铜、钛和金的样品，他们希望他们的结果也适用于其他金属。他们说，他们的数据首次为这种热量越大强度越高的反常热效应提供了直接的实验证据，尽管以前也有报道暗示过这种效应。根据研究人员的分析，这种令人惊讶的效应似乎是构成金属结晶结构的有序原子阵列在不同条件下移动的方式造成的。他们的研究表明，金属在应力作用下的变形受三种不同效应的支配，其中两种效应遵循预测的轨迹，即在温度越高时变形越大，而当变形率超过一定临界值时，第三种效应（即阻力强化）的作用会发生逆转。阻力增强效果超过这个交叉点后，较高的温度会增加材料内部声子（声波或热波）的活动，这些声子与晶格中的位错相互作用，限制了它们滑动和变形的能力。道丁说，这种效应随着撞击速度和温度的增加而增强，因此"速度越快，位错的反应能力就越弱"。当然，在某些时候，升高的温度会使金属开始熔化，这时，效果又会发生逆转，导致软化。道丁说，这种强化效应"会有一个极限"，"但我们不知道它是什么"。舒赫说，这些发现可能会促使人们在设计可能会遇到这种极端应力的设备时选择不同的材料。例如，在通常情况下可能弱得多，但成本较低或更容易加工的金属，可能会在以前没有人想到要使用它们的情况下派上用场。研究人员所研究的极端条件并不局限于航天器或极端制造方法。道丁说："如果你在沙尘暴中驾驶直升机，很多沙粒在撞击叶片时会达到很高的速度。"研究人员用来揭示这一现象的技术可以应用于其他各种材料和情况，包括其他金属和合金。他们说，简单地根据已知材料在不太极端条件下的特性来设计在极端条件下使用的材料，可能会导致人们对材料在极端应力下的行为产生严重的错误预期。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433116.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433116.htm

认识Q-硅 - 一种用于自旋电子量子计算机的新型磁性材料

认识Q-硅-一种用于自旋电子量子计算机的新型磁性材料北卡罗来纳州立大学团队通过使用持续时间仅为纳秒的激光脉冲撞击非晶硅，使其熔化后又迅速冷却以再次硬化从而获得了这一发现。这创造了一种新的硅形式，该团队将其称为Q-硅，类似于他们之前创建Q-碳的工作。Q-硅拥有一些普通旧硅所缺乏的新特性，其中最重要的是室温下的铁磁性。这种磁性对于某些数据存储方法至关重要，并且可以帮助解锁一个称为自旋电子学的新兴领域，顾名思义，该领域通过电子的“自旋”而不是电荷来传输和存储数据，就像当前的电子产品一样。这有可能使设备更小、更快、更节能。这也可能使其成为量子计算机的绝佳材料，量子计算机不仅可以存储1和0的信息，还可以同时存储两者的叠加信息。这使得它们能够执行比任何传统计算机更先进的计算。不仅仅是铁磁性，与普通材料相比，Q-硅还表现出更高的硬度和超导性，这两种特性也有助于自旋电子学和量子计算。该研究的通讯作者杰伊·纳拉扬(JayNarayan)表示：“Q-硅的这一发现将通过增加自旋电子学或基于自旋的量子计算等新功能来彻底改变现代微电子学。简而言之，Q-silicon为自旋电子学与芯片上微电子学的集成提供了一个理想的平台。”该研究发表在《材料研究快报》杂志上。阅读文献：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2023.2224396...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368931.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368931.htm