一种最近提出的磁性形式，称为交替磁性，最终可能帮助研究人员使计算机内存更小、更快且更高效。目前，科学家们发现证据表明，曾被认为在其块体形式中非磁性的量子材料二氧化钌，当以仅几层原子厚的超薄膜形式制备时，可能表现出这种不寻常的磁性行为。莱斯大学物理学家Ming Yi与明尼苏达大学的Bharat Jalan及保罗·谢尔研究所的Milan Radovic合作，在《科学进展》上报告了这一发现。“二氧化钌是最早被提议作为交替磁性候选材料之一，但对其块体形式的研究没有返回磁性的证据，”物理与天文学副教授Yi说。“而我们的研究表明，其超薄形式可能是使其显示磁性的关键。”通过电子自旋检测磁性 为了研究超薄二氧化钌的磁态，研究人员检查了其自旋结构。自旋结构描述了材料的磁矩——其电子的自旋——在空间中的排列方式。这些模式能够揭示材料是否具有磁性，如果有，则表现出何种类型的磁性。研究小组使用一种称为自旋分辨角分辨光电子能谱的技术来测量这些模式。“在分析我们的测量结果，包括借助理论计算来指导我们的解释后，我们发现，在我们的实验条件下，二氧化钌显示与非常规磁性一致的自旋结构，”论文第一作者、最近毕业于莱斯大学的Yichen Zhang表示。“这表明，在合适的条件下，块体和超薄二氧化钌可能具有截然不同的磁性特性。” 原子应变可能充当磁性控制 研究人员发现，不寻常的自旋行为在特定条件下出现。特别是，超薄二氧化钌的电子结构必须经历晶格应变，这就给材料的原子结构施加压力。没有这一应变，就像材料的自然块体形式一样，电子自旋不会显示交替磁性的迹象。“应变依赖性特征表明，我们可能能够利用晶格应变作为调节旋钮来诱导或控制交替磁性，”Zhang说。“在考虑下一代自旋电子学和RAM架构时，这可能极为有用。”这一结果提升了研究人员有意调整晶格应变以控制未来电子材料中的磁性行为的可能性。这种控制对自旋电子学领域来说可能极具价值，该领域利用电子的自旋和电荷处理和存储信息，以及新的计算机内存设计。 关于二氧化钌的长期争论 这些发现还突显了确定和描述量子材料行为的困难。二氧化钌一直是一个漫长的科学争论的中心，物理学家们试图确定其块体形式是否具有磁性。研究人员最终达成共识，认为块体二氧化钌不表现出磁性。而新的研究表明，改变材料的尺寸并使其原子结构处于应变下可以产生非常不同的行为。“这项工作表明这些问题是多么复杂，”Yi说。“高质量的材料制备和谨慎的测量方案对我们观察到正确的电子自旋特性至关重要。结果需要对自旋分辨角分辨光电子能谱进行仔细分析。通过这一过程，我们不仅能够确定磁态对称性，还能够找到在下一代量子材料中操纵它的潜在方法。”这项工作得到了美国能源部（DE-SC0026179，DE-SC0020211，DE-SC0024710）、戈登和贝蒂·摩尔基金会EPiQS倡议（GBMF9470）和罗伯特·A·韦尔奇基金会（C-2175）的资助。