关 真一郎（东京大学 先端科学技术研究中心 教授）
|探索交替磁体，发现硫化铁
东京大学先端科学技术研究中心的关真一郎教授等人的研究团队，在被称为交替磁体的新型磁体中，全球首次发现可在室温下实现信息读写的交替磁体材料。
本研究发现的磁性半导体硫化铁（FeS）是室温下可发挥功能的交替磁体，并证实其无需外部磁场即可稳定保存信息，且所保存的信息可通过电学差异进行读取。
|传统磁体及其问题
用作磁记录元件的铁磁体
磁铁可吸引铁块、存储信息等现象的背后，是被称为磁性的现象。磁性源于物质内部电子具有的属性。电子的行为如同微小磁体，该性质被称为自旋，自旋有↑（向上）与↓（向下）两种方向。
通常状态下，自旋方向杂乱无章，因此物质整体不呈现磁性。然而，当施加外部磁场等作用时，大量自旋会沿同一方向整齐排列，此时物质便带有磁性，这一现象称为磁化；具有易磁化性质的物质即为磁体。
在磁体中，自旋同向整齐排列、撤去磁场后仍保留强磁化的物质，称为铁磁体。铁、钴等是其典型代表，目前被用作信息记录材料。铁磁体可形成自旋向上与自旋向下的整齐排列状态，将这两种状态的差异对应为0与1，信息读写正是通过这一方式进行的。
铁磁体与反铁磁体的问题
然而，已知铁磁体产生的磁场会对外界造成影响。磁体周围出现的非预期磁场称为漏磁场，若将记录装置的磁存储元件小型化并高密度排布，这种漏磁场会影响相邻元件，存在信息被改写为与原本期望保持的信息不一致状态的风险。因此，存储元件的密度提升存在极限。此外，受“反转自旋方向以改写信息”的机制所限，元件运行速度也受到约束，难以进一步提升信息处理效率。
另一方面，还存在一类被称为反铁磁体的磁体，其相邻自旋必定反向整齐排列，最终物质整体的磁化相互抵消为零。因此反铁磁体不会产生在外部可检测到的磁场，难以从物理层面区分↑↓与↓↑两种自旋排布并进行读取，一直被认为不适用于信息记录。
硫化铁室温下可实现信息读写
近年来，学术界从理论上提出了“交替磁体”的概念：这类材料同时兼具类反铁磁体的自旋排布与特殊的原子排布，即便总磁化强度为零，仍可实现信息读写。
交替磁体与反铁磁体的相同点在于相邻自旋均反向排列，但因其晶体结构不具备对称性，↑↓与↓↑两种自旋排布在材料内部属于可区分的不同状态。因此，即便物质整体的总磁化强度为零，自旋排布的差异仍会体现为晶体内部电子运动行为的差异（图1）。
图1 磁体概念图
交替磁体中的电子，即便实际并未施加外磁场，也会因量子力学效应，表现出如同存在磁场一般的行为，这种作用被称为虚拟磁场。虚拟磁场的方向不同，通入电流时横向产生的电压方向也会改变。利用这一性质，便可通过电学差异而非磁场差异区分↑↓与↓↑两种自旋状态（图2）。
图2 交替磁体的虚拟磁场与电子行为
交替磁体即便磁化强度为零，也可借助虚拟磁场，通过电学差异检测自旋状态。
本研究探寻了可作为交替磁体发挥功能的物质，最终发现FeS在室温下满足这一条件。FeS与反铁磁体类似，相邻自旋方向不同，同时具备交替磁体特有的原子排布，与理论提出的交替磁体特征一致。
此外，研究团队揭示了可通过外磁场切换↑↓与↓↑两种自旋状态，并证实撤去磁场后该状态仍能稳定保持，这意味着可以实现信息的稳定记录。同时，两种自旋状态可通过霍尔电阻率※1的差异明确区分，换言之，实验表明FeS在室温下可用作交替磁体。
※1 霍尔电阻率：表示物质通有电流时，沿电流横向产生的电压大小的物理量。
|向新一代信息介质的应用迈进
交替磁体因磁化强度为零，不会产生漏磁场，可实现磁存储元件的高密度化。此外，其响应速度据信比铁磁体快100倍以上，有望在更高速的信息处理中得到应用。此外，FeS交替磁体在室温下可进行信息读写，作为新一代磁存储元件颇具前景。
本研究证实了室温下可发挥功能的交替磁体的存在，向实现新一代超高密度、超高速信息记录技术迈出了一大步。
原文：JST 事业成果 纳米技术·材料领域
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Materials
论文：Spontaneous Hall effect induced by collinear antiferromagnetic order at room temperature
DOI：10.1038/s41563-024-02058-w
