近年來(lái)，一種被稱(chēng)為“交錯(cuò)磁體（Altermagnet）”的新型磁性材料迅速成為國(guó)際凝聚態(tài)物理和自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相比傳統(tǒng)磁體，交錯(cuò)磁體兼具鐵磁體和反鐵磁體的部分優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為有望推動(dòng)下一代高速、低功耗電子器件的發(fā)展。

近日，來(lái)自美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于金剛石量子缺陷的新型探測(cè)方法，可用于更高效地識(shí)別交錯(cuò)磁體材料。相關(guān)成果發(fā)表于Physical Review Letters。

磁性材料通常可分為鐵磁體和反鐵磁體兩大類(lèi)。鐵磁體是人們*熟悉的磁體，例如冰箱貼所使用的材料，其內(nèi)部電子自旋方向趨于一致，因此表現(xiàn)出明顯磁性。反鐵磁體則恰恰相反，相鄰電子自旋方向相反，整體磁性相互抵消，因此在宏觀(guān)上幾乎不表現(xiàn)出磁性。

2019年，德國(guó)Johannes Gutenberg University Mainz研究團(tuán)隊(duì)在研究二氧化釕（RuO?）時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種難以用傳統(tǒng)理論解釋的現(xiàn)象：該材料整體磁矩接近于零，卻表現(xiàn)出類(lèi)似鐵磁體的電子輸運(yùn)特性。由此，研究人員提出了“交錯(cuò)磁性”這一全新概念。

交錯(cuò)磁體兼具反鐵磁體零凈磁矩和鐵磁體特殊電子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。一方面，其能夠像反鐵磁體一樣實(shí)現(xiàn)超快狀態(tài)切換；另一方面，又保留了部分類(lèi)似鐵磁體的電學(xué)調(diào)控特性，因此被視為未來(lái)高性能信息存儲(chǔ)和處理技術(shù)的重要候選材料。

目前，研究人員已在多種材料中觀(guān)測(cè)到交錯(cuò)磁性的實(shí)驗(yàn)跡象。理論預(yù)測(cè)顯示，潛在交錯(cuò)磁體材料數(shù)量可能超過(guò)200種，甚至超過(guò)已知鐵磁體材料總數(shù)。然而，如何快速、準(zhǔn)確地識(shí)別這些材料，仍然是該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。

為此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于金剛石量子傳感的新思路。該方案利用含有氮-空位中心（NV中心）的金剛石作為探測(cè)器。NV中心由一個(gè)氮原子取代碳原子并伴隨鄰近晶格空位形成，對(duì)周?chē)�微弱磁�?chǎng)變化極為敏感，因此被廣泛應(yīng)用于量子傳感領(lǐng)域。

在該方案中，研究人員將含NV中心的金剛石放置在待測(cè)材料附近，并通過(guò)操控NV中心電子自旋的方向，測(cè)量其弛豫時(shí)間變化。如果材料內(nèi)部存在交錯(cuò)磁性特有的復(fù)雜自旋結(jié)構(gòu)，那么NV中心在不同方向上的弛豫速度將表現(xiàn)出明顯差異，從而為交錯(cuò)磁性的存在提供證據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，相比當(dāng)前許多實(shí)驗(yàn)方法，這種量子傳感技術(shù)具有非侵入性?xún)?yōu)勢(shì)，不會(huì)顯著擾動(dòng)被測(cè)材料本身，從而更真實(shí)地反映材料的天然磁性特征。

不過(guò)，研究人員也指出，該方法目前仍停留在理論階段，相關(guān)結(jié)論主要基于量子動(dòng)力學(xué)模型模擬，后續(xù)仍需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其實(shí)際探測(cè)能力。

隨著交錯(cuò)磁體研究不斷深入，開(kāi)發(fā)高效可靠的材料篩選和表征技術(shù)正變得越來(lái)越重要。研究人員表示，如果未來(lái)能夠快速發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證更多交錯(cuò)磁體材料，將有望推動(dòng)新型自旋電子器件的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更高效的信息傳輸和更低的系統(tǒng)能耗，為下一代電子技術(shù)開(kāi)辟新的發(fā)展方向。