不具備磁性也能儲存資料：第三類磁性登場

交錯磁體(Altermagnet)是一種近年被發現與證實的特殊磁性結構。交錯磁性既不同於傳統的鐵磁性，也不同於反鐵磁性，展現出獨特的自旋排列與電子特性。在這種材料中，內部磁矩以特殊交錯方式排列，雖然整體不產生淨磁場，卻能對自旋電子產生明顯的選擇性作用。這使交錯磁性成為自旋電子元件領域的潛力新星，有望兼具鐵磁材料易於控制與反鐵磁材料抗干擾的優點，於去年更是被科學雜誌列為十大科學突破之一。隨著材料工程與測量技術的精進，交錯磁性有望從理論走向應用。若說二十一世紀的前半場是自旋電子學的起點，那交錯磁性極有可能就是下個重要的里程碑。

撰文｜穿山甲

近年國外研究團隊通過實驗證實了一種特殊磁性材料的存在，這類材料被稱之為交錯磁體。相關研究更是在2024年與馬斯克齊下SpaceX公司發展的火箭夾持回收技術，共同被知名國際期刊Science列為十大科學突破，其重要性可見一斑。

依據磁性材料在外加磁場作用下，展現出不同的磁特性，大致上可以將磁性材料分為鐵磁性與反鐵磁性兩類。由於鐵磁材料具有較強的磁性，能帶中自旋向上與向下會分裂成兩條，如圖1(a)所示。這使得鐵磁材料可以應用於儲存設備，讓電子產品可以用電荷的以外的形式來紀錄資訊。如果希望儲存更多資訊，儲存單元勢必要做的更小。然而越小的儲存單元，資訊很容易受到外界輻射或是熱能影響，改變磁性儲存狀態。這項問題可以透過材料或結構中的異向性改善，增加磁矩翻轉的能量障壁。不過在密集度越來越高的電子產品中，每塊儲存單元的磁矩所散發的散逸磁場，很容易影響到相鄰的儲存單元，讓應用產生限制，密集度也無法再提高。此外，鐵磁材料中的磁矩呈現有序結構，眾多磁矩喜歡朝向同一方向，這讓磁矩翻轉時，會產生較大的慣性，導致鐵磁材料在高頻的應用下只能達到GHz的等級。

與鐵磁材料不同，反鐵磁材料內部的磁矩則是相反交錯排列，如圖1(b)所示。這種排列方式讓磁矩相互抵銷，使反鐵磁材料整體不會產生淨磁矩，意即儲存單元不會出現散逸磁場影響周圍區塊，對外界磁場的敏感度也較低，具有優異的抗磁干擾能力，這項優點有助於製造高密集度的自旋電子元件。在零磁場環境下，反鐵磁材料共振頻率更可以達到THz，這表示材料內部的磁矩可以在皮秒的時間尺度下翻轉，比起鐵磁材料快三個數量級。然而正由於沒有淨磁矩，磁訊號往往非常微弱，響應機制也較為複雜，自旋向上與自旋向下的能帶結構亦呈現簡併狀態，這些因素使得反鐵磁材料不容易實際應用。

自2019年起有許多研究團隊發現到某些反鐵磁晶體結構，會產生鐵磁材料的某些特性，即相反自旋的電子能量可以被分離。依照這些線索科學家從理論預測到一種特殊的磁序結構，並將其稱之為交錯磁體 (Altermagnet)。其性質與反鐵磁材料相似，鄰近磁矩呈現反向排列，使得材料不會產生淨磁矩。但電子在動量空間中的能帶結構卻會出現自旋極化特徵，且會發生自旋劈裂現象，如圖1(c)所示。這種現象與鐵磁體因自旋軌道耦合產生的自旋劈裂不一樣，交錯磁體的自旋能帶劈裂甚至可達1 eV的數量級。

以往鐵磁與反鐵磁材料的研究中，通常只會考慮晶格點上自旋的方向與所處位置，研究其磁特性，交錯磁體則需要將自旋所處的晶格位置與其對稱性一併考慮進去。在交錯磁體中，晶體內部相鄰磁性晶格位置，會形成具有交錯自旋與空間取向的規則排列。具有相反磁矩的原子處於晶體旋轉或鏡像對稱的結構之中。磁性原子的空間取向可能與周圍非磁性原子的位置相關，使得動量空間中不同方向產生能帶劈裂。

德國美因茨大學的研究團隊在德國電子同步輻射加速器，透過實驗量測二氧化釕RuO₂薄膜的磁性質，揭示出RuO₂具有交錯磁性，並為交錯磁體提供關鍵且直接的證據。研究人員以X光照射RuO₂薄膜，使其發射出電子，再透過特殊改良的動量顯微鏡分析電子的行為，並且透過X光磁圓偏振二向性光譜系統推斷自旋方向，證實了交錯磁體這種第三類磁性的存在。與此同時，碲化錳MnTe一直以來被視為經典的反鐵磁材料，然而經過國際研究團隊在瑞士的同步輻射機構，以自旋與角解析光電子能譜儀分析光在材料上的反射情形，從而推測材料的電子能帶與動量關係，證實碲化錳呈現出交錯磁體的性質，且行為與理論模擬結果相互吻合。同年英國諾丁漢大學的研究團隊，利用影像式光電子顯微技術，結合X光磁圓與磁線偏振二向性影像，直接觀測具有晶體對稱性的MnTe薄膜，與其內部的微觀磁區影像。首次提供交錯磁體的實驗成像，證實其獨特的自旋對稱特性。這種自旋排列特徵是源自不同亞晶格內的反平行自旋排列，從而產生補償，使整體不會產生巨觀的磁化現象。隨後陸續有許多研究團隊從原本的反鐵磁家族中，發現交錯磁體的性質，這個比例將近一成。

交錯磁性最大的魅力，在於它結合了鐵磁與反鐵磁兩者的優點，並可能為自旋電子學打開全新一章。在傳統的磁性電子元件中，磁性訊號容易受到外部磁場干擾，而且隨著元件微縮，磁穩定性也下降。而反鐵磁材料雖然具備抗干擾能力，但由於沒有淨磁性，不易讀取與寫入資訊。交錯磁體剛好解決這個矛盾，它的磁矩平均為零，不易被外界磁場擾動，卻又能讓電子的自旋分佈不對稱，對訊號產生響應。

這讓交錯磁性材料有望成為下一世代的自旋電子元件的核心材料。例如，在電腦記憶體設計中，可以開發出速度更快、能耗更低、密度更高的記憶元件。在感測器領域，它也能用於偵測微弱磁場與自旋流動。由於其操作頻率可達THz等級，還可能應用於高速無線通訊與量子資訊科技。不過目前為止，交錯磁體的應用仍以基礎研究為主。其磁性行為對結構極為敏感，因此製程困難，且可應用材料種類仍在擴展中。此外，如何穩定控制交錯磁序的產生與轉換，也是一大挑戰。

參考文獻

1. Song et al., “Altermagnets as a new class of functional materials,” Nature Reviews Materials, 2025.
2. Fedchenko et al., “Observation of time-reversal symmetry breaking in the band structure of altermagnetic RuO₂,” Science Advances, vol. 10, p. eadj4883, 2024.
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