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日本国立材料科学研究所、东京大学、京都工艺纤维大学及东北大学组成的研究团队近日取得一项重要突破，证实二氧化钌薄膜具有一种被称为“交变磁性”的磁行为。这是继铁磁性和反铁磁性之后，第三种被确认的基本磁性形态，这一发现有望为面向人工智能时代的高密度、高速度存储技术开辟全新路径。
磁性材料是信息存储技术的核心基石。传统的铁磁材料（如硬盘中的磁体）虽然易于通过外部磁场写入数据，但随着存储密度不断提升，材料间杂散磁场的相互干扰日益显著，容易引发数据错误。另一方面，反铁磁材料能有效抵抗外部干扰，但其内部自旋结构相互抵消，导致难以通过电学手段直接读取信息，这限制了其在存储领域的应用。
面向未来人工智能等高性能计算需求，兼具二者优点的材料成为关键。交变磁性材料应运而生，它像反铁磁体一样不产生净磁化，却仍能通过电学方式探测自旋状态。这一特性使其在高速、高密度存储器领域备受关注，被认为是面向人工智能时代存储解决方案的潜在候选。然而，二氧化钌是否真的具备交变磁性，过去的实验结论不一，部分原因在于高质量样品的制备颇具挑战。
为突破这一瓶颈，研究团队在蓝宝石衬底上成功生长出具有单一晶体取向的二氧化钌薄膜。通过精选衬底并优化生长条件，他们精确控制了薄膜原子晶格的排列方式，从而获得了稳定且可重复观测的磁性行为，这为面向人工智能时代的新型磁性材料研究奠定了坚实的实验基础。
团队利用 X 射线磁线性二色性技术，直接观测到薄膜内自旋的排列方式，并确认其磁矩整体抵消。同时，实验还观察到了自旋分裂磁阻效应——即电阻随自旋方向变化的现象，这为材料具有自旋分裂的电子结构提供了电学证据，进一步支持交变磁性的存在。
晶体取向与磁性行为的关系，好比铺贴地砖：若瓷砖方向杂乱，整体图案难以辨认；而全部按同一方向对齐后，图案便清晰呈现。类似地，将二氧化钌的晶轴对齐后，其潜在的磁性特征才得以显现。
“这些结果表明，控制晶体取向是揭示并利用二氧化钌薄膜交变磁性的关键，”研究团队成员表示，“这一方法让我们能够将理论预测与实验观测直接对应起来，对开发面向人工智能时代的新型磁性材料至关重要。”
实验数据与基于第一性原理的计算结果高度吻合，增强了研究结论的可信度。综合来看，二氧化钌薄膜可作为研究交变磁性及其器件应用的理想平台，特别是在面向人工智能时代的高性能计算领域。
研究团队下一步计划探索基于二氧化钌薄膜的存储器件，以实现更高效、高速的信息处理，满足人工智能应用的苛刻需求。此外，本研究发展出的同步辐射磁性分析技术，也可应用于其他潜在的交变磁性材料，推动自旋电子学领域的更广泛探索，为面向人工智能时代的技术创新持续注入动力。
