研究证实二氧化钌超薄膜具有交替磁性 原子级厚度材料展现新磁性特征

长期以来，科学界普遍将二氧化钌视为一种非磁性物质。然而，当这种材料被减薄到仅有数个原子层的厚度并施加应力后，一种此前未被察觉的新型磁性状态得以显现。由美国莱斯大学物理学家易明（Ming Yi）带领，并与明尼苏达大学及瑞士保罗·谢尔研究所合作的研究团队，近日在学术期刊《科学进展》（Science Advances）上刊发论文，首次确认超薄二氧化钌薄膜中出现了“交替磁性”（Altermagnetism）行为。这一发现为研制体积更小、能效更高的下一代计算机存储设备提供了新的可能。

交替磁性是理论物理学界近年提出的一类新型磁体，它同时具备铁磁体和反铁磁体的核心优势。二氧化钌（RuO2）是最早被理论预测可能拥有交替磁性的量子材料之一，但学术界对其争议持续已久。此前多项实验显示，块体形态的二氧化钌并未表现出任何可检测的宏观磁性，科学界因此一度认为其块体不具备磁性。不过，这支跨国研究团队发现，材料在维度上的压缩或许是开启其磁性能潜力的关键。

为探究原子尺度下的微观磁性行为，研究人员制备了厚度仅为数个原子层的超薄二氧化钌薄膜，并借助自旋分辨角分辨光电子能谱技术（Spin-ARPES）对其电子自旋纹理进行精确测量。实验结果与理论计算模型高度一致，清晰表明所测二氧化钌的电子自旋排列符合非常规磁性特征，说明在特定外界条件下，超薄态与块体态二氧化钌的磁学属性存在显著差异。

实验分析表明，晶格应变（Lattice Strain）在这种奇异磁性的产生过程中起到了决定性作用。当超薄薄膜生长在特定衬底（如二氧化钛）上时，晶格所承受的压力改变了其微观电子结构，进而诱导出与交替磁性高度吻合的自旋图样；一旦去除应变或处于天然块体状态，该磁性现象便不再出现。研究第一作者张一弛（Yichen Zhang）指出，应变依赖特性意味着晶格应力有潜力充当一种调控“旋钮”，用以定向诱导和控制交替磁性状态，这对下一代自旋电子学器件及新型随机存取存储器（RAM）架构的设计具有重要应用意义。

该研究不仅拓展了量子材料基础物理学的认知边界，也为利用外延应力工程调控低维量子态提供了一种可行的实验范式。通过精准控制纳米尺度的机械应力，未来科研人员或许能更灵活地操纵电子自旋自由度，从而推动低功耗、超高密度信息存储技术取得进一步突破。