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纽约大学科学家发现了一种新型磁铁

纽约大学的一组科学家发现了一种新型磁铁的第一个可靠样例,这种磁铁有望提高数据存储技术的性能。

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这种“单磁体”不同于传统磁体,传统的磁体中,小的磁性成分相互结合形成强大的磁场。相比之下,这种新发现的基于单片机的磁铁,其磁场会突然出现或消失,从而产生一种不稳定的力,但这种力可能比传统磁铁具有更大的灵活性。


“这些天来,人们对利用磁体和磁性来改进数据存储技术进行了大量的研究,”领导该研究小组的纽约大学(New York University)物理学助理教授安德鲁·雷(Andrew Wray)说。“单磁体在磁相和非磁相之间应该有一个更突然的转变。你不需要做太多的工作就可以让材料在非磁性和强磁性状态之间翻转,这可能有利于功耗和计算机内部的切换速度。


“这种磁力与电流的耦合方式也有很大的不同。进入材料的电子与不稳定磁矩的相互作用非常强烈,而不是简单地通过。因此,这些特性可能有助于解决性能瓶颈,并能更好地控制磁存储信息。


普通磁铁和单片磁铁


在正常的磁性材料中,高密度磁矩试图与相邻磁矩对齐。相比之下,在单一材料中,不稳定磁矩的出现和消失,并以排列整齐的团块相互粘附。


这项发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的研究还包括来自劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)、美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)、马里兰大学(University of Maryland)、罗格斯大学(Rutgers University)、布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)、宾厄姆顿大学(Binghamton University)和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的研究人员。


这种磁铁的想法可以追溯到20世纪60年代,其理论基础与人们长期以来对传统磁铁的认识形成了鲜明的对比。


一个典型的磁体包含许多微小的“磁矩”,这些磁矩与其他磁矩保持一致,共同作用形成磁场。将该组件暴露在高温下将消除磁性;这些小的力矩会保留下来,但是它们会指向随机的方向,不再对齐。


相比之下,50年前的一个开创性的想法认为,一种缺乏磁矩的材料仍然可能是磁铁。这听起来是不可能的,科学家们指出,但它之所以有效,是因为一种叫做“自旋激子”的临时磁矩,当电子在合适的条件下相互碰撞时,就会出现这种磁矩。


“单个自旋激子往往会在短时间内消失,但当你有大量的自旋激子时,理论表明它们可以相互稳定并催化更多自旋激子的出现,形成级联,”Wray解释说。


在《自然通讯研究》中,科学家们试图揭示这一现象。早在20世纪70年代,就已经发现了一些候选对象,但它们都很难研究,因为磁性只能在极低的温度下保持稳定。


通过中子散射、x射线散射和理论模拟,研究人员建立了一种更为坚固的磁铁USb2的行为与单磁体理论特征之间的联系。


纽约大学博士后和该论文的第一作者林妙说:“在过去的几十年里,这些材料一直是个谜——磁性和电在其中相互交流的方式被认为是奇怪的,只有在这种新的分类中才开始有意义。”


他们特别发现,Usb2拥有这种磁性的关键成分——特别是一种叫做“磁性”的量子力学性质,它支配着电子如何产生磁矩。近年来研究表明,包括超导性在内的许多量子力学性质,都是一个至关重要的因素。


本研究得到了美国国家科学基金会MRSEC项目(DMR-1420073)的支持,其研究对象还包括纽约大学博士生徐益帅、柯塔和何浩伟。

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