研究人员观察到一种新的磁性状态，为开发更高密度、更可靠的数据存储技术提供了可能。日本研究团队近日发现，当对常见的氧化物材料进行精确设计时，它能呈现出一种罕见的磁性状态，同时具备两种对立体系的优势特性。这一发现为开发更快、更密集、更可靠的存储技术开辟了新路径。
由日本国立材料科学研究所、东京大学、京都工艺纤维大学和东北大学组成的联合研究团队证实，二氧化钌（RuO₂）薄膜能表现出"交变磁性"。这是除铁磁性和反铁磁性之外第三种基本的磁性类型，有望重新定义高速数据存储技术。
磁性材料是现代计算技术的核心元件，尤其在存储与信息处理领域发挥着关键作用。铁磁材料虽易受外部磁场写入数据，但随着器件尺寸缩小和杂散磁场干扰，其稳定性会下降；反铁磁材料虽能抵抗此类干扰，但其完全自旋抵消的特性导致存储信息难以通过电学方式读取。交变磁性材料则提供了折中方案：它像反铁磁体一样没有净磁化强度，却仍能实现自旋相关信号的电学读取。这种独特性质使其成为自旋电子学研究的新焦点，但此前在真实材料中的实验证据始终存在矛盾。
材料质量是导致结果不一致的原因之一。理论预测RuO₂具有交变磁性，但要制备出足够洁净均匀的样品来验证该特性始终充满挑战。为此，研究团队在蓝宝石基底上制备了具有单一晶体取向的RuO₂薄膜。通过精心选择衬底并调控生长条件，他们使原子晶格沿统一方向排列——这是观测微弱磁效应的关键步骤。
利用X射线磁线性二色谱技术，研究团队直接绘制出薄膜内部的自旋排列图，证实了磁极相互抵消的现象。同时，他们检测到自旋分裂磁阻，这意味着电阻会随自旋方向改变而产生变化。这种电学特征为自旋分裂电子结构的存在提供了有力证据，这正是交变磁性的界定特征。研究组成员表示："这些结果表明，控制晶体取向是揭示和利用RuO₂薄膜交变磁性的关键。该方法使我们能够将理论预测与实验观测联系起来。"
研究人员将这一过程类比为铺地板砖：当瓷砖随机摆放时无法显现清晰图案，而统一方向排列后结构便一目了然。同样地，对齐RuO₂的晶轴使其隐藏的磁序得以显现。实验数据与第一性原理计算高度吻合，进一步证实观测到的效应是材料固有特性而非实验假象。这使得RuO₂薄膜成为超越理论研究、探索交变磁性的实用平台。
展望未来，团队计划研究利用这些特性实现高速、高密度信息处理的存储器件。由于RuO₂本身与薄膜制备技术兼容，从实验室实验到器件概念的跨越可能比使用特殊材料更短。研究中所开发的基于同步辐射的磁性分析方法，也可应用于其他潜在的交变磁性材料，有望推动整个自旋电子学领域的快速发展。
这项研究成果已发表于《自然·通讯》期刊。
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