净磁化几乎为零的新型磁性，研究进展到了哪一步？
材料内部具有磁性的原子即使排列得井然有序，整体也不一定像一块强磁铁。如果相邻原子的磁矩方向相反，它们的磁性效应可能互相抵消，而内部的有序排列仍然存在。
近年来受到关注的**交替磁性（altermagnetism）**就是这样一种磁有序态。它的净磁化可以接近零，但电子能态可能随晶体方向呈现明显而有规律的变化。
交替磁性也被视为下一代存储技术的候选机制。如果两种不同的磁有序状态可以分别代表0和1，并且能够用电信号写入和读取，就可能用于保存信息。很小的净磁化还有望减少对邻近器件的磁干扰。不过，这些潜在优势尚未在实用存储器中得到验证。1
2022年，交替磁性理论得到系统阐述后，二氧化钌（RuO₂）成为引人注目的候选材料。然而，对部分样品开展的精密实验后来未能检测到预期的自旋劈裂或磁有序。其他材料的支持证据则不断积累。2026年10月，研究人员还公布了可在原子尺度区分自旋敏感电子信号的新实验。究竟测量了哪种材料、哪一种物理量，决定了实验能够支持怎样的结论。12
净磁化很小，磁有序仍能存在
普通条形磁铁中，许多原子的磁性大致朝向同一个方向。描述原子或电子磁性方向和大小的量叫做磁矩；磁化强度反映材料内部磁矩的整体排列情况。
相邻原子的磁矩也可能以相反方向规则排列。反铁磁性就是典型例子。磁矩互相抵消后，净磁化接近零，但晶体内部依然存在有序的磁结构。
那么，交替磁性与传统反铁磁性有什么区别？
区别体现在电子能态中。电子具有与磁性相关的量子性质——自旋。可以区分两个相反的自旋态，但这不意味着电子真像小球一样自行旋转。不同自旋对应的电子态既可能有相同能量，也可能有不同能量。
本文讨论的材料是原子按照规律周期性排列的晶体。晶体中的电子能量可能取决于运动方向。交替磁性允许两个相反自旋态在某个方向上的能量差，在另一个方向上发生符号反转。1
在相同电子动量下，两个相反自旋态具有不同能量的现象叫做自旋劈裂，并非一个电子裂成两个。晶体对称性是指原子排列经过特定旋转或平移后仍与原来等价的规则。在交替磁性中，磁矩排列与随方向变化的自旋劈裂通过这样的对称性联系起来。
因此，确认交替磁性不仅要画出上下交错的箭头，还需要用互补实验验证内部磁序、不同方向的电子能量和自旋关系。
RuO₂实验为何出现分歧
2022年，一项RuO₂薄膜实验发现，沿一个方向输入电流时，垂直于电流的方向也出现了电压。研究团队将这一信号解释为与交替磁性相关的反常霍尔效应，因为某些磁有序态能够产生这种电响应。2
但测到横向电压并不等于直接确认了磁矩如何排列。电子结构和实验条件也可能影响信号。后续研究分别检查了电子能量、自旋和内部磁有序。
2024年，Jiayu Liu等人使用光照射样品，测量逸出电子的能量和运动方向，这就是光电子能谱。在能够区分自旋的测量中，他们依然没有在所检查的薄膜和单晶中找到预测的自旋劈裂。观测到的能带与假设不存在磁有序的计算结果更为吻合。3
同一年，Philipp Keßler等人进一步检查内部磁序。他们在薄膜中使用对微弱局域磁场敏感的技术，并对单晶进行中子衍射。尽管样品和测量对象不同，但两种实验在各自的检测范围内都未发现预期的长程磁有序。此前被视为磁序证据的部分中子信号，被重新解释为多重散射。4
2026年，Tiema Qian等人在强磁场下测量RuO₂单晶的磁化和磁转矩，同样没有检出长程磁有序，即延伸到大量原子尺度、而非仅限于相邻原子的规则磁矩排列。5
这些阴性结果并不能否定整个交替磁性领域。“未检出”只适用于具体样品和仪器检测灵敏度所覆盖的范围。
当RuO₂在另一种晶体上生长成薄膜时，两种晶体的原子间距不完全匹配，可能使晶格受到拉伸或压缩。这种应变可以影响电子能态。2026年，Seungjun Lee等人的计算指出，某些应变条件下可能出现交替磁性型自旋劈裂；但这并不是在真实薄膜中测得磁有序的实验证据。6
RuO₂仍待回答的问题，是不同样品和应变条件究竟会形成何种磁有序。
MnTe与CrSb的多种证据
随着RuO₂受到更多质疑，其他材料的研究不断提供相互补充的证据，不同测量方法弥补了此前实验的局限。
2024年，J. Krempaský等人通过光电子能谱观测到MnTe的电子能量分裂，并与理论预测比较。7
同年，O. J. Amin、A. Dal Din等人把MnTe中磁序方向不同的区域成像。这些区域称为磁畴。2026年，Zheyuan Liu等人用极化中子衍射探测块体MnTe的内部磁有序，并观察到冷却时施加的弱磁场方向能够影响磁序取向。8
这三项研究分别测量电子能量、磁畴分布和晶体内部磁结构，并非重复测量同一种物理量；它们从不同角度支持MnTe的交替磁性解释。
CrSb的证据也逐步增强。2024年，Sonka Reimers等人观察到电子能量随晶体方向变化，但没有直接分辨相关电子态的自旋。9 2025年，Guowei Yang等人使用自旋分辨光电子能谱，弥补了这一缺口。10
2026年又出现了不同的实验手段。一组研究人员把超导体Nb与CrSb接触，根据界面的电压—电流响应，通过模型推断不同方向的自旋极化程度。这些数值不是直接拍摄到的自旋分布。另一组研究人员分析强磁场变化时出现的微弱周期性信号，即量子振荡，以了解晶体内部的电子态。11
把这些不同物理量的结果区分开来，再综合比较，才能更稳健地检验同一种解释。
新型探针识别表面自旋敏感信号
把电子能量、自旋的测量精确对应到晶体表面的原子位置，一直不是容易的事。
2026年10月13日，Zhuying Wang等人在Nature发表论文，利用经过特别设计的显微镜探针研究这一问题。14
**扫描隧道显微镜（STM）**将极细的探针移到样品表面附近，测量穿过微小间隙的隧穿电流。移动探针并记录电流的变化，可以在原子尺度研究表面电子态。但普通探针往往会把相反自旋对应的信号混在一起。
研究人员用一种特殊晶体制作探针。在这种材料中，沿边缘传播的电子，其自旋与运动方向相关联，因此能够提高隧穿测量的自旋选择性。材料名称、制作和校准程序详见注释。14
研究团队首先在磁结构已知的材料上，把新探针与普通金属探针进行对照。随后研究了层状金属KV₂Se₂O的表面。2025年已有研究报告了该材料在室温下支持交替磁性的证据；2026年研究的创新不是首次发现这种材料，而是把原子位置与自旋敏感的表面电子信号联系起来。14
研究人员识别出不同的钒原子位置和微小晶格调制，并分析表面缺陷附近的电子干涉图样。电子具有波动性，受到缺陷散射的波发生叠加，便可能形成干涉。图样的方向能够反映参与干涉的电子态。
改变磁场方向后，沿两条正交晶轴延伸的激发信号出现方向相反的能量变化。改变探针偏置电压的正负号，主要的自旋敏感干涉各向异性旋转了90度。研究人员还进行了普通探针的对照实验。14
这些结果共同支持：KV₂Se₂O的表面层具有随晶体方向而变化的自旋相关电子状态。这是综合原子位置和电子响应得出的结论，并不是直接拍到每一个原子的自旋。
更深层之间的磁矩如何排列仍需独立测量。STM实验主要在4.8 K（约零下268摄氏度）进行，不能据此宣称已经实现室温存储器。14
X射线区分两类铁原子位置
10月14日，Ganesha Channagowdra等人在Nature Communications发表了绝缘磁性材料Fe₂Mo₃O₈的研究。该材料中的铁原子占据两种不同的局部环境。15
一种铁原子周围有四个氧原子，另一种则有六个。即使元素相同，局部几何排列也会影响电子能量及其对X射线的响应。
研究人员将X射线射入晶体，测量散射后X射线的能量。入射与散射光子的能量差反映了材料中的电子激发。将能量损失和理论计算比较，就有助于把不同信号归属于两类铁位置。这种方法称为共振非弹性X射线散射（RIXS）。15
他们还改变X射线的圆偏振方向。圆偏振是指电场方向沿传播路径不断旋转。样品对两种相反旋向的响应若不同，就表现出圆二色性，可以用来研究材料对称性的变化。15
两种铁位置的信号都表现出圆偏振方向造成的差异。但圆二色性本身不足以证明差异源自磁有序，因为其他因素也可能产生这种效应。
研究人员因此改变温度和散射几何条件来进行对照。超过磁有序转变温度后，圆二色性在测量不确定度内消失；即使磁有序依然存在，在保留相关镜面对称性的散射方向下，差异也会消失。这些控制实验是解释信号的重要依据。15
研究团队将数据与双交替磁性（bi-altermagnetism）模型进行比较。晶体里等价位置周期性组成的结构称为子晶格。该模型认为两类铁位置各自形成交替磁性型的有序结构。“双”并不只是铁位置有两种，而是指两套交替磁性子晶格共同存在的解释。15
X射线实验及模型计算支持这一解释，但并没有直接测量每一个铁原子的自旋方向。这些结果也不能解决RuO₂的所有争议，更不是存储器性能验证。
用电流写入并读出磁有序
前述研究在不同材料中支持或质疑交替磁性。若要把已确认的磁序应用于存储器，就必须能够主动切换并读取状态。
信息存储需要至少两种稳定、可区别的状态，并具备电写入和读出的手段。交替磁体的净磁化接近相互抵消，用普通磁铁的磁化测量方式往往难以判别其状态。
2025年，Zhiyuan Zhou等人在金属层与CrSb结合的器件中报告了电流诱导的磁序取向变化。采用铂（Pt）的结构需要辅助磁场，而采用钨（W）的另一种结构在测试条件下无需施加辅助磁场就能切换。不能把它理解为所有CrSb器件都无需磁场。12
2026年8月，Zhaohui Li等人发表了CrSb与PtTe₂薄层组成的异质结构。研究人员依据界面产生的电响应间接读取磁序状态，并通过电流改变磁序取向。他们测量的是随磁序变化的电信号，而不是直接拍摄原子磁矩翻转。13
代表性的写入实验在170 K（约零下103摄氏度）及外加辅助磁场**±30 mT**下进行。这不足以证明室温下可实际使用的存储器。脉冲、等待及读出条件见注释。13
距离实用存储器还缺什么
能够用电流改变磁有序，并不等于已经实现实用存储器。还需检验断电后的信息保持时间、写入速度、功耗以及批量器件的性能差异。
重复电流脉冲实验本身不能证明产品寿命或长期数据保持能力。能否在室温、没有外部辅助磁场的条件下稳定读写，仍是必须单独检验的问题。13
未来的核心问题，是实验中确认的磁序变化能否在真实使用条件下被可靠地写入和区分。
注释
1. 理论基础。Šmejkal、Sinova和Jungwirth根据晶体对称性，区分了交替磁性与传统铁磁、反铁磁秩序。旋转关联的反向自旋子晶格可能使电子能量随动量而分裂。这两篇是理论和展望论文，不能算作两项独立实验证据。
原始文献：Beyond Conventional Ferromagnetism and Antiferromagnetism: A Phase with Nonrelativistic Spin and Crystal Rotation Symmetry; Emerging Research Landscape of Altermagnetism。
2. RuO₂成为代表性候选材料的背景。Feng、Zhou与Šmejkal为共同第一作者。Feng和Zhou参与薄膜生长、电学与磁学测量，Šmejkal等承担理论计算；Zhiqi Liu负责研究构思和指导。早期薄膜中的反常霍尔效应被解释为交替磁性信号，但应与随后在部分样品未测出预期磁序的实验一并审视。另一个由Fedchenko参与的团队将光电子能谱数据解释为时间反演对称性破缺的迹象。Feng论文于2022年11月发表过针对图中符号和公式标注的出版商勘误。不能把电输运信号说成对原子磁序的直接图像。
原始文献：An anomalous Hall effect in altermagnetic ruthenium dioxide; Observation of time-reversal symmetry breaking in the band structure of altermagnetic RuO2。
3. RuO₂自旋能谱。Jiayu Liu、Jie Zhan、Tongrui Li和Jishan Liu为共同第一作者。在所测薄膜和单晶的ARPES及自旋分辨ARPES中，未发现预测的交替磁性自旋劈裂；数据更接近非磁性计算。这不排除未经检查的样品或应变条件。
原始文献：Absence of Altermagnetic Spin Splitting Character in Rutile Oxide RuO2。
4. RuO₂磁有序检验。Philipp Keßler和Laura Garcia-Gassull为共同第一作者。Keßler、Moser负责薄膜，Keßler、Moser、Salman等参与μSR，Khalyavin、Manuel、Orlandi做单晶中子衍射，Garcia-Gassull和Mazin做计算。μSR检测上限：块体1.14×10⁻⁴ μB/Ru，TiO₂(110)上11 nm薄膜7.5×10⁻⁴ μB/Ru。先前(100)中子信号被重判为单晶多重散射；并未对薄膜做同一中子实验。未检出结论受样品与灵敏度限制。
原始文献：Absence of magnetic order in RuO2: insights from μSR spectroscopy and neutron diffraction。
5. RuO₂高场实验。Tiema Qian等人对单晶施加最高31 T磁场，测量磁化及转矩，未发现可检测的长程磁序，并将该样品解释为顺磁金属。结论不能直接扩大到不同应变状态的薄膜。
原始文献：Determining the nature of magnetism in altermagnetic candidate RuO2。
6. RuO₂应变计算。Seungjun Lee为第一作者，并与Tony Low共同通讯；Jeong、Wang、Jalan等参与。基于第一性原理比较取向、应变和Hubbard U：TiO₂上(001)/(101)取向在无额外因素时可能非磁，而某些受应变的(100)/(110)薄膜可能呈交替磁性型自旋劈裂和输运响应。每项计算任务的正式CRediT细分尚未核实。这是计算结果，不是实际薄膜的磁有序观测。
原始文献：Strain-Driven Altermagnetic Spin-Splitting Effect in RuO2。
7. MnTe电子能谱。Krempaský、Šmejkal与D’Souza为共同第一作者。研究将ARPES实验与理论计算、光谱模拟及其他合作者的样品制备和温度测量结合，电子结构与交替磁性型自旋劈裂解释相符。
原始文献：Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy。
8. MnTe磁畴和内部磁序。Amin、Dal Din为XPEEM研究共同第一作者，与Wadley等人利用样品形态及冷却条件成像和控制磁畴。另一组Liu、Asai、Masuda等通过块体极化中子衍射观测磁序及弱铁磁分量，并用方向相反、毫特斯拉量级的冷却磁场改变有序取向。两者都不是用电流写入存储信息。
原始文献：Nanoscale imaging and control of altermagnetism in MnTe; Observation of Altermagnetic Order Switching in Bulk MnTe by Polarized Neutron Diffraction。
9. CrSb早期能带观测。Reimers、Odenbreit、Jourdan等制备CrSb(100)外延薄膜，在12 K开展未分辨自旋的软X射线ARPES，观测约0.6 eV能带分裂并与理论对照。不能当作自旋分辨直接测量。
原始文献：Direct observation of altermagnetic band splitting in CrSb thin films。
10. CrSb自旋测量。Yang与Li为共同第一作者；Yang负责ARPES，Li负责第一性原理和建模，Yang Liu策划研究。自旋分辨结果区分了两种自旋关联能态和劈裂消失的位置，并与g波对称性计算相比较。
原始文献：Three-dimensional mapping of the altermagnetic spin splitting in CrSb。
11. CrSb的两类互补测量。Yan Zhang等将超导Nb探针分别接触CrSb三个晶面，测量安德烈夫反射，并由接触界面的电压与电流响应通过模型推断约73.4%、67.9%、61.9%的方向性自旋极化。这些不是直接拍摄到的自旋分布。另一项研究以Mengmeng Long、Theodore I. Weinberger、Zheyu Wu为共同第一作者；Long从事晶体生长、表征和量子振荡，Weinberger与Wu负责量子振荡，Weinberger还参与DFT分析。Alexander G. Eaton设计研究并与F. Malte Grosche共同指导。研究将低温强磁场的量子振荡数据与理论比较，支持CrSb块体的g波交替磁性解释，但它与Nb接触研究测量的物理量不同，不能当作同一种实验的重复验证。
原始文献：Andreev Reflection to Probe Momentum-Dependent Spin Polarization in Altermagnet CrSb; 3D bulk-resolved g-wave altermagnetic order parameter in CrSb。
12. CrSb的电流控制。在2025年《Nature》正式版的作者贡献说明中，Zhiyuan Zhou参与设计、样品制备、输运测量、分析与模拟；Xingkai Cheng和Mengli Hu负责对称性及第一性原理计算；Ruiyue Chu制作器件；Feng Pan和Cheng Song负责构思与指导，二人也是通讯作者。正式版图4分别显示CrSb(1-100)/Pt所需的外加辅助磁场，以及另一个W/CrSb(11-20)结构在测量时无外加辅助场的切换。这两种堆叠结构与实验条件不能合并为一个器件。正式版摘要中的室温反常霍尔效应也不能等同于在室温进行电流写入。由于尚未从正式论文充分确认每种器件的写入温度，正文没有列出这样的温度数字。早期预稿arXiv:2403.07396的图4及Methods与正式版作者阵容及内容有差异，不能未经核对就把预稿参数作为出版商最终确认的值。
原始文献：Manipulation of the altermagnetic order in CrSb via crystal symmetry。
13. PtTe₂/CrSb的电学读出与写入。2026年8月24日发表的《Nature Materials》出版商版本将Zhaohui Li、Wenqing He、Hua Bai和Yang Wang列为四位共同第一作者，通讯作者为Lei Shen和Hyunsoo Yang。正式作者贡献说明显示：Li负责样品生长、电输运与切换测量，He负责宏观自旋模拟及分析，Bai负责分析，Yang Wang与Xiwen Zhang负责第一性原理计算；磁化测量由另一位作者Yongxi Wang负责。Grutter、Kinane和Caruana参与极化中子反射率测量，Shen指导计算，Hyunsoo Yang负责研究构思与总体指导。
研究通过PtTe₂中的近邻效应产生的反常霍尔信号间接读出磁有序状态，而非直接成像单个原子自旋。正式发表论文的摘要与图1—4支持近邻反常霍尔读出及自旋轨道转矩驱动的磁有序改变；具体脉冲条件根据公开作者预稿arXiv:2607.07299的方法与图4确认。代表性的PtTe₂（5 nm）/CrSb（8 nm）器件在170 K、面内外加辅助磁场±30 mT下接受10 ms写入脉冲；关断写入电流并等待500 ms后，以100 μA电流读取霍尔电阻。图4h记录了在这些条件下的6000次脉冲循环。不得把预稿细节当作已经逐项核实出版商补充材料的最终数值。这些循环不能证明商用产品寿命、长期保存数据的能力，亦不能证明室温无辅助场操作。另一组300 K、5 T的自旋霍尔磁阻测量不属于上述写入试验。
14. KV₂Se₂O的前期研究与原子尺度自旋敏感测量。Bei Jiang团队在2025年已公布金属性室温d波交替磁性、具有自旋极化的电子结构及自旋密度波证据。2026年研究的新贡献不在于首次发现这种材料，而在于将同一表面上的原子位置与自旋敏感信号相联系。
Zhuying Wang、Shuikang Yu、Xingkai Cheng、Xiaoyu Xiao是2026年《Nature》论文的四位共同第一作者。研究团队利用高阶拓扑绝缘体α-Bi₄Br₄的螺旋边缘电子态制作自旋选择性STM探针：以聚焦离子束加工单晶，将晶体细条接合在PtIr金属探针末端。探针先在Au(111)表面校准，再于磁序已知的Fe₁.₀₂Te中与普通PtIr探针对照，以确认自旋敏感性。之后在KV₂Se₂O的表面层对照原子位置、缺陷及密度波晶格调制，并综合磁场依赖光谱与反转偏压符号时变化90度的自旋敏感准粒子干涉各向异性。这些结果支持表面二维d波交替磁性，却没有确定块体各层之间的磁序。
公开作者手稿arXiv:2512.23290的方法记载：制成20余根探针，但因表面不均匀和探针状态限制，在KV₂Se₂O获得明确自旋分辨结果的实例有限；大部分STM测量在4.8 K进行。10月《Nature》论文为已通过同行评审的提前发布版本，尚可能有编辑修改；出版商全部补充图及审稿文件并未完成逐项独立核对。
原始文献：A metallic room-temperature d-wave altermagnet; Atomic-scale spin sensing of a 2D d-wave altermagnet via helical tunneling。
15. Fe₂Mo₃O₈中两个磁性子晶格的RIXS圆二色性。Ganesha Channagowdra等在Fe L₃吸收边附近研究Fe₂Mo₃O₈单晶，其中Fe²⁺处于四面体型与准八面体型两类晶体环境。共振非弹性X射线散射（RIXS）记录入射与散射X射线之间的能量损失；通过与理论计算对照，把约0.5 eV的晶场激发归于四面体型Fe，把约1 eV的特征归于准八面体型Fe。更低能量的自旋—轨道激发主要来自准八面体型位置。需要注意，约1 eV特征的圆二色性很弱；主要二色性信号出现在低能激发及约0.5 eV的特征上。
研究者通过切换入射X射线的左右圆偏振比较散射强度。处于磁有序相的约32 K可观测到圆二色性；升温超过约60 K的磁转变后，信号在实验不确定度范围内消失。即使仍有磁序，当散射平面选择为保留镜面对称性的几何取向时，该差异也消失。温度与散射几何的双重对照，是把信号归因于磁有序的重要根据。研究使用包括交错Weiss场的原子模型，对不同Fe位置的响应进行计算并与实验对照，支持双交替磁性（bi-altermagnetism）的解释。但RIXS并未拍摄每个Fe原子的实际自旋方向；圆二色性亦可能受非磁性机制造成的影响，而模型未纳入Fe位置之间的直接电子跃迁。作者公开稿arXiv:2512.00737v2的正文、图与方法已供对照；出版商正式补充资料和同行评审文件仍须逐项核对。