美國科學家發現，赤鐵礦（hematite）擁有罕見且新興的磁性形式，此發現據報為自旋電子學技術鋪平道路，這些技術有望革新數據處理與儲存方式。Oak Ridge National Laboratory（ORNL）的團隊提供了迄今最清晰的實驗證據，證實了交代磁性（altermagnetism），這是 2022 年首次提出的第三類磁性形式。赤鐵礦是一種常見的鐵氧化物，即俗稱的鐵鏽，也是地球上最普遍的礦物之一。
它在超過 1,200°F（約 649°C）的溫度下仍穩定，適合室溫自旋電子學應用，無需強力冷卻。「赤鐵礦豐富、化學穩定且無毒，」項目負責人、ORNL 博士後研究員 Qiyang Sun 表示。「透過證實其交代磁性，我們為工程師開啟新平台，利用廉價且廣泛可得的材料設計高速、低功耗量子電子設備。」
赤鐵礦的量子狀態與自旋電子學
交代磁性不同於傳統鐵磁體與反鐵磁體，其電子自旋呈相反方向排列，讓純自旋電流能在無電荷的情況下流動，非常適合自旋電子學應用。自旋電子學（spintronics）或磁電子學，依賴電子自旋而非電荷來處理與儲存數據，有望實現更快運作且能耗遠低於現代電子設備的裝置。然而，尋找合適的自旋電子材料一直是重大挑戰。為驗證赤鐵礦特性，研究團隊利用 Spallation Neutron Source（SNS），這是全球最先進的中子研究設施之一。
他們採用非彈性中子散射技術，即中子透過能量轉移與樣本互動而損失或獲取能量，從而探測材料原子層級的內部磁性動態。中子無電荷但具磁矩，非常適合磁性研究，團隊據此分析自旋波（spin waves），即磁結構中的集體激發現象。 研究結果顯示，自旋波能量出現明顯分裂，這是交代磁性的細微但明確標誌，稱為磁子分裂（magnon splitting），其他實驗技術無法捕捉。
「非彈性中子散射是唯一能解析這些細譜特徵的方法，」Sun 表示。「它同時提供動量與能量解析度，讓我們偵測到定義交代磁性的微妙磁子分裂。」研究結合實驗與 ORNL 的 Sunny 軟件建模，以及高效能運算，該軟件專為量子磁性研究設計。研究團隊指出，此發現顯示高速、低功耗量子電子設備的潛在組件，可能已存在於周遭常見鐵鏽中。未來將探討自旋波間隙如何影響赤鐵礦的熱傳輸。
研究論文已刊登於 Physical Review Letters。
