小小一块磁铁，为什么能吸住铁钉？这个看似简单的问题背后，隐藏着电子自旋构成的复杂磁性世界。

人们熟悉的磁性材料大致分为两类：一类是铁磁体，它们像普通磁铁一样拥有强烈的宏观磁性，容易操控和读取，却不可避免地产生杂散磁场，可能干扰周围器件；另一类是反铁磁体，相邻磁矩彼此抵消，宏观上几乎没有净磁化，因而稳定、快速，却又因过于“安静”，很难被外界有效操控和读取。

科学家一直在寻找第三种可能：有没有一种磁性，既拥有反铁磁体“零杂散场”的安静，又具备类似铁磁体那样清晰、可操控的自旋特征？一种名为交变磁性的新型磁态正在让这种设想走向现实。

中南大学物理学院低维量子器件实验室教授刘艳平团队，与中南大学极端服役性能精准制造全国重点实验室、澳大利亚悉尼大学、中国科学院物理研究所等研究者合作，通过一种被形象地称为“拧魔方”的转角堆叠技术，在仅有两层原子厚度的磁性材料CrPS?中，首次在实验上证实了二维交变磁性的存在，“拧”出并验证全新磁性。该成果近日在线发表于《自然·物理》，并被选为内封面文章。

该成果被《自然·物理》选为内封面文章。受访者 供图

磁性家族的神秘“老三”

从记录着海量数据的硬盘，到悄然嵌入芯片的磁阻随机存取存储器，每一次磁性材料的跃迁，都推动着信息技术的代际更迭。然而，正如硬币的两面，传统磁体在带来便利的同时，也各自背负着难以逾越的天花板。

“要理解该研究的意义，得先从一场磁性的‘交通拥堵’说起。”刘艳平说。

他举了一个通俗的例子。铁磁体的内部电子自旋像一群整齐向右看的士兵，产生强大的宏观磁场，气势磅礴却难以掩盖杂散场的“噪音”。这种特性让它们易被操控和读写，但杂散磁场会干扰“邻居”，且开关速度存在物理极限。

刘艳平（左）和团队成员开展多功能共聚焦拉曼光谱测试。受访者 供图

而反铁磁体则走向另一个极端。它的电子自旋像两支队伍相向而行，恰好相互抵消，宏观上“鸦雀无声”。这种“沉默”赋予了它极高的稳定性和超快的响应速度，但也让它难以被外界“听见”和“指挥”。

那么，是否存在一种状态，既能像反铁磁体一样“静默无声”，又能像铁磁体一样“个性鲜明”？答案是交变磁性。

据介绍，交变磁性是科学家近年来提出的一种全新磁性类型，兼具反铁磁体的补偿性自旋排列与铁磁体的有限自旋劈裂特征，在动量空间中表现出自旋极化的能带结构，而宏观上仍保持零净磁化强度。这种独特性质使其有望成为连接铁磁与反铁磁优势的“桥梁”。

刘艳平说，交变磁性就像一支“红蓝分明的双向车道”，宏观上看车流完全抵消、实现零净磁矩，但细看每个车道，红色车辆和蓝色车辆各行其道，在动量空间里呈现出清晰的自旋分离。

“交变磁性此前一直处于理论预言阶段，原理是通过扭转范德华层状材料可调控层间对称性从而诱导交变磁性。”刘艳平表示，这个磁性家族的“老三”充满神秘感，“虽理论早已预言这种状态，但实验上始终未能捕捉到它的身影。”

“拧”出个全新磁性

那么，这个神奇的“双面”磁态是如何被验证的？

该团队选取了一种天然的A型反铁磁范德华材料CrPS?，其内部每一层原子都像一块微型的铁磁体，但相邻层间的磁矩方向恰好相反，从而在整体上抵消。也就是说，它天生是个“反铁磁大师”，但层与层之间却反向堆叠、是反铁磁体状态，从而在宏观上实现“磁性相消”。

刘艳平教授团队采用“撕裂-堆叠”技术，将两层CrPS?单晶以90度正交方式堆叠，构建CrPS?/CrPS?同质结。当两层以90度扭转堆叠时，上下层的磁链相互垂直，系统形成由旋转对称性联系的相反自旋子晶格。这正是交变磁性所需的对称性条件。

“转角堆叠就像拧魔方。”刘艳平说，“魔方每一面原本颜色固定，但旋转一个面时，整面颜色都改变。原本相互抵消的磁链，也就变成了两把垂直交叉的‘尺子’。晶体对称性也被重新编排，电子的自旋‘交通规则’也随之改写。”

在这个全新的“转角世界”里，上下两层中原本“沉默”的自旋链条被赋予新秩序，它们依然在宏观上相互补偿，保持着总磁矩为零的“低调”，但在微观的动量空间里，自旋向上和自向向下的电子能带开始“分道扬镳”，呈现出截然不同的色散关系。

如何证明这个微米级“魔方”里确实藏着交变磁性？团队通过磁光光谱测量，在1.8开尔文（约-271.35摄氏度）的极低温和9特斯拉（T）的强磁场下，测量样品对圆偏振光的响应。

他们发现，正交扭转样品的圆偏振度随磁场的变化趋势，竟与铁磁体如出一辙，而非本征反铁磁CrPS?的行为。更关键的是，在9T磁场下，该样品的光致发光谱出现了约2毫电子伏特的塞曼劈裂，对应有效g因子为-3.4。而在相同条件下铁磁和反铁磁CrPS?参考样品中均未观察到可分辨的塞曼劈裂。“这表明正交扭转结构中存在一种区别于传统铁磁和反铁磁的全新磁基态。”刘艳平表示。

“塞曼劈裂就像是磁态的‘指纹’。”论文共同第一作者、中南大学博士研究生陈俊荧说，“传统铁磁和反铁磁的CrPS?在这个‘指纹’测试中都是‘白板’，唯独我们的90度扭转样品清晰地显示出一对分裂的峰。这说明它的磁基态绝非寻常。”

第一性原理计算进一步揭示交变磁性的微观起源。在90度扭转结构中，自旋向上态主要局域在顶层，自旋向下态主要局域在底层，形成反铁磁构型；自旋向上态沿b轴方向，与自旋向下态正交，两者通过90度旋转对称性相联系。“这种实空间补偿、动量空间劈裂的双重性格，正是交变磁性的灵魂。”刘艳平说。

有望为存储器件提供新材料

除了电子态的劈裂，团队还在晶格振动中发现了交变磁性的“暗语”。拉曼光谱显示，原本单一的A6和B6声子模式在90度扭转后分裂成双峰，且两峰分别对应顶层和底层的独立振动。顶层峰蓝移，底层峰红移，一升一降，恰好揭示了层间耦合的对称性破缺。

这意味着，交变磁性不仅改变了电子的行为，也重塑了晶格动力学。“未来或许能通过拉曼光谱实时‘听’出磁序的变化，为非接触式磁探测提供新思路。”陈俊荧说。

据介绍，交变磁性的实验确认，为后摩尔时代的信息器件打开一扇窗。由于它不产生杂散磁场，可密集集成而无需担心串扰；又因其动量空间的自旋劈裂，可在无净磁矩情况下实现自旋阀、磁隧道结等功能，有望极大降低功耗、提升速度。

“目前我们只在几微米的单点上验证了这种状态。要走向器件，必须解决大面积制备、室温稳定、电学调控等一系列工程问题。”刘艳平表示，团队建立的实验范式可推广至其他层状反铁磁体系。“我们将结合动量分辨光谱学、自旋输运测量、超快光学探测和电学调控手段，进一步揭示扭转诱导交变磁性的微观动力学机制。从应用前景看，交变磁性兼具零杂散场与有限自旋极化的特性，有望为低功耗、高速自旋电子学和磁存储器件提供新的材料选择。”

《自然·物理》审稿人称，该成果首次在实验上证实二维范德华体系中交变磁性的存在，将交变磁性的研究从三维体系拓展至二维层面。研究为二维范德华材料中的交变磁性提供了令人信服的实验证据，是自旋电子学领域的一个重要里程碑。

研究得到了国家自然科学基金面上项目、国家量子科学与技术创新计划、中南大学高性能复杂制造国家重点实验室自主研究课题、澳大利亚ARCDiscovery项目等项目的资助。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03440-y