科学家通过迫使晶体结构相互竞争，发现了一种使磁性发生扭曲的新方法。

佛罗里达州立大学的科学家研发出一种新型晶体材料，其磁性表现与传统磁体截然不同，为数据存储和量子技术的进步开辟了潜在路径。

该研究团队在《美国化学学会杂志》上发表了研究成果，他们证明，将两种化学性质相似但晶体结构不同的材料相结合，能够产生一种全新的结构。这种新形成的材料展现出与原始化合物截然不同的磁性特征。

磁性的产生源于原子如同微型磁体般的特性，而这正是原子自旋这一属性所导致的结果。每个自旋都可被视作一枚微小的箭头，用以标识原子磁场的方向。在常见的磁性材料中，大量自旋会以有序的方式排列，要么指向同一方向，要么形成相反的排列模式。这种集体排列方式催生了我们熟知的磁性，计算机和智能手机等设备正是利用了这种磁性。

佛罗里达州立大学的研究人员发现，他们的方法能形成更为复杂的自旋排列。原子自旋并非整齐划一地排列，而是形成重复的漩涡状图案。这些被称为自旋织构的结构，对材料的磁性表现产生显著影响，使其有别于传统磁体。

其运作原理

为研制这种材料，研究团队混合了两种化学成分相近但晶体结构对称性不同的化合物。当这两种结构不匹配的物质相遇时，便会产生科学家们所称的“结构冲突”——即两种成分的交界处，任何一方的晶体结构都无法保持完全稳定。正是这种不稳定性，在形成新型晶体中观测到的反常磁序模式过程中发挥了关键作用。

“我们原以为，这种结构上的‘受挫’或许会转化为磁性‘受挫’，”佛罗里达州立大学化学与生物化学系教授、论文合著者迈克尔·沙特鲁克（Michael Shatruk）说道，“如果结构相互‘竞争’，或许就会导致自旋发生扭曲。让我们来寻找一些化学性质极为相近，但对称性却截然不同的结构吧。”

他们将一种由锰、钴和锗组成的化合物与另一种由锰、钴和砷组成的化合物相结合。锗和砷在元素周期表中位置相邻。

混合物凝固成晶体后，研究团队对产物进行了检验，发现了他们一直寻找的独特摆线自旋结构。这种自旋漩涡被称为类斯格明子自旋结构，而探寻更多发现和操控斯格明子宿主材料的方法，是化学和物理学领域的前沿研究方向。

为确定这种类斯格明子磁结构，研究团队在美国能源部科学办公室下属、位于橡树岭国家实验室的散裂中子源的TOPAZ仪器上，采集了单晶中子衍射数据。

为何至关重要

该研究可用于开发信息密度更高的硬盘，或提升电子传输效率。由于利用磁体移动斯格明子（skyrmions，一种拓扑磁结构）所需能量极低，将具备此类磁结构的材料应用于电子设备中，可有效降低功耗。在配备数千个处理器的巨型超级计算机中，这种功耗的降低可大幅削减电力与冷却成本。

该研究还能为科学家和工程师指明方向，助力他们探寻有望推动容错量子计算发展的材料。容错量子计算即便在出现错误和噪声的情况下，仍能保护脆弱的量子信息并可靠运行，堪称量子信息处理领域的“圣杯”。

橡树岭国家实验室杰出中子散射科学家王小平表示：“借助TOPAZ所提供的单晶中子衍射数据，以及我们LDRD项目研发的新型数据缩减与机器学习工具，如今我们能够以更高置信度解析极为复杂的磁结构。这项能力使我们不再局限于发现罕见的自旋织构，而是能够为未来的信息与量子技术，对这些织构进行定向设计和优化。”

“化学思维”与材料设计

此前针对斯格明子及相关复杂自旋结构的研究，更像是一场寻觅之旅：研究者会考量不同材料，探寻其中可能存在的这些磁性结构，并测量其特性以作确认。

本研究采用了不同的方法。研究人员通过创造一种新材料，并运用结构受挫这一创新理念，试图更深入地理解催生新型磁性图案的原理。

沙特鲁克（Shatruk）表示：“这属于化学思维范畴，因为我们正在思考这些结构之间的平衡如何影响它们自身以及它们之间的关系，进而思考这种平衡又如何转化为原子自旋之间的关系。”

对基础科学原理的这种理解，可为未来的研究指明大有可为的方向。

“该研究旨在预测这些复杂的自旋织构将出现在何处，”论文共同作者、沙特鲁克实验室的研究生伊恩·坎贝尔（Ian Campbell）表示，“传统上，物理学家会搜寻那些已展现出所需对称性的已知材料，并测量其特性。但这样会限制可能性的范围。我们正致力于开发一种预测能力，即‘若我们将这两种物质相结合，便能形成一种具备所需特性的全新材料。’”

这种方法的优势在于，能够扩充用于制造含类斯格明子自旋纹理材料的成分列表，从而降低晶体生长成本、简化晶体生长流程，并为未来可能受益于此类材料的技术构建更稳固的供应链。

参考文献：伊旭·王（YiXu Wang）、伊恩·坎贝尔（Ian Campbell）、扎卡里·P·特纳（Zachary P. Tener）、朱迪思·K·克拉克（Judith K. Clark）、杰克内尔·格拉特罗尔（Jacnel Graterol）、安德烈·罗加列夫（Andrei Rogalev）、法布里斯·威廉（Fabrice Wilhelm）、张虎（Hu Zhang）、龙毅（Yi Long）、理查德·德龙斯科夫斯基（Richard Dronskowski）、王小平（Xiaoping Wang）和迈克尔·沙特鲁克（Michael Shatruk）发表于 2025 年 11 月 12 日《美国化学学会杂志》上的文章《源自结构无序的材料中出现的类斯格明子自旋织构》。DOI：10.1021/jacs.5c12764

本研究得到了国家科学基金会的资助，研究借助了佛罗里达州立大学与橡树岭国家实验室的设施条件。