一种新型磁体承诺让内存快1000倍，离现实还有多远？

磁性的种类

磁体有两种。至少原来如此。第一种你熟悉：冰箱贴吸在冰箱上，指南针指向北方。第二种在1930年代被描述，却吸不住任何东西。

它的原子内部有磁性，从外面看却完全不像磁体。2024年，实验确认其中一些安静材料属于第三种。物理学家称它为交错磁性：晶体中随方向改变的隐藏磁性图样。2026年7月，定义它的3位物理学家获得欧洲物理学奖。

有些视频已经宣称，它会让电子设备快1000倍。一所大学的新闻稿确有1000倍的说法，但那是预测，不是测量。这第三种磁体是什么，为何这么晚才命名，又离应用多远？

磁性来自电子

这里的磁性主要来自电子。每个电子都像微小磁铁，关联一种叫自旋的量子性质。多数材料里，这些小磁铁朝向各处，彼此抵消。铁里，它们跨越大量原子朝同一方向排列。

这些原子相加形成可感受到的磁场，这种材料叫铁磁体。物理学家说，铁磁体已为人所知数千年。想象一座体育场坐满人，全都面朝北方。从看台看，整群人朝着同一方向。

铁磁体内部还有一件事：自旋向上和向下的电子能量不同。物理学家称之为自旋劈裂。这也让磁体能用电读取：分层器件的两层磁层一改排列，电阻就变。记住两点：伸到材料外的磁场，以及按自旋分开的电子能量。

第三种磁体留其一，舍其一。

奈尔的隐藏秩序

法国物理学家路易·奈尔1932年的博士论文提出另一种可能。相邻原子的微小磁铁可能倾向相反方向。1936年，他描述一种晶体：两组原子交错，一组向上，一组向下。两组相互抵消，总磁化为零。

这就是反铁磁性。想成棋盘：黑白格交替，远看一片灰。中子自带微小磁性，让物理学家直接看见这套隐藏秩序。欧内斯特·沃兰1944年在橡树岭石墨反应堆开始中子实验，克利福德·舒尔1946年加入。

1949年，舒尔和同事斯马特把中子射向氧化锰。他们发现新的衍射峰，来自沿每条晶轴以两倍距离重复的磁性图样。隐藏的棋盘格是真的。路易·奈尔因研究反铁磁性和亚铁磁性，共享1970年诺贝尔物理学奖。

亚铁磁性与它相关：相反原子磁铁大小不同，留下一些磁化。严格说来，磁体从来不止两种。螺旋结构、原子磁铁乱中冻结的玻璃态，还有其他排列也存在。但对原子磁矩直指上或下的磁体，教科书保留简单分类。

全都对齐，是铁磁体。交替并抵消，是反铁磁体。奈尔在诺贝尔演讲中说，反铁磁体理论上极有趣，却似乎没有应用。几十年来，看起来确是如此。

安静，却难以读取

随后，磁存储起飞。1988年，阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格分别独立发现巨磁阻效应。它把极小磁性变化变成电阻差异。1997年，首批采用它的硬盘读头问世；这项发现获2007年诺贝尔物理学奖。

称为MRAM的磁存储芯片也把比特存成磁体，断电后数据仍在。铁磁比特却有个先天问题。它的磁场以杂散场漏出材料，密集比特会互相干扰。反铁磁体几乎没有杂散场，少了一种相邻比特互扰的途径。

一项测试中，最高12特斯拉的磁场，特斯拉是磁场强度单位，且超过冰箱贴磁场1000倍，也无法扰乱反铁磁存储比特。反铁磁体也可能更快。2018年，一组人向铜、锰、砷制成的存储器写入数据，使用250皮秒脉冲，

每个持续十亿分之一秒的四分之一，最高4吉赫兹，即每秒40亿次循环。随后他们用太赫兹脉冲，即每秒振荡1万亿次的光脉冲。每个约1皮秒，即万亿分之一秒。按他们的说法，铁磁体的可比切换还远未超过5吉赫兹。他们估算，相比自己的反铁磁体，若把铁磁体推至太赫兹速度，

同一截面积需约100倍电流和约1,000倍能量。反铁磁体稳定、易密集排布，也快。但从中取出强电信号更难。物理学家利博尔·什梅伊卡尔称，磁化既有用，也是“敌人”。

反铁磁体可电学读取，却缺少铁磁器件依赖的强自旋劈裂。它们能减少相邻比特互扰的磁串扰，却更难读取和控制。工程师想要一种既像反铁磁体安静，又像铁磁体那样让电子易读的磁体。

缺失的旋转

2019年1月，什梅伊卡尔、哈伊罗·西诺瓦、托马什·荣维尔特和同事冈萨雷斯-埃尔南德斯发表对某些反铁磁体的预测。他们认为，这些磁体虽有相互抵消的原子磁铁，仍可产生霍尔信号：一种垂直电流、横跨材料的电压，通常与铁磁体相关。

2022年，任职德国美因茨和捷克布拉格的什梅伊卡尔、西诺瓦、荣维尔特发表完整分类。他们按一个对称性问题分类原子磁铁相消的磁体：哪些操作让图样不变？什么操作能把向上原子变成向下原子？普通反铁磁体中，平移一步或绕中心点翻转，就能把向上原子映射到向下原子。

这种操作还须匹配周围原子。新类别中，平移或翻转单独都不行；要匹配周围原子还得旋转。团队提出“交错磁性”这个名称。《科学新闻》借用艺术比喻：若反铁磁体像棋盘，交错磁体

就像M. C. 埃舍尔的镶嵌图案，形状相扣，没有缝隙。相邻拼块不只变色，还旋转了。磁性原子本身不转，周围环境才转。每个磁性原子都在邻近原子的小笼中，如氧或碲。

交错磁体中，向上原子周围的笼子朝一边，向下原子周围的则旋转。他们写道，交错磁性可出现在由常见轻元素组成的晶体中。

电子按方向劈裂

这个旋转的笼子会改变电子如何运动。交错磁体中，自旋向上和向下电子像在铁磁体中一样，能量不同。但差异取决于电子行进方向，方向一转，符号也反转。举个简单例子，想象十字路口。

南北向道路上，自旋向上电子走快车道。东西向道路上，自旋向下电子走快车道。整个晶体中，相反磁矩仍抵消，所以没有外部磁场。但在这个例子中，沿一条路的电流可偏向一种自旋。

交错磁体这个名称所指的正是这种交替符号。最简单时，图样像四叶草，作者将它比作d波超导体，那里电子配对也有类似四瓣图样。此效应不需自旋轨道耦合，即电子自旋和运动的联系，在重原子中最强。

他们计算二氧化钌时，某些方向的电子劈裂约达1电子伏特。他们2022年的比较中，这约是相对论造成的创纪录劈裂的10倍，后者见于含重元素的体晶体，即实心晶体而非薄层。电子伏特是微小能量单位，但对晶体电子而言，1电子伏特很大。

接着是实验检验。2024年2月，一个国际团队报告了对碲化锰的测量，即在保罗·谢勒研究所瑞士光源完成的MnTe测量。MnTe长期被列为普通反铁磁体。

他们用自旋分辨光电子发射：以光打出电子，测量能量、方向和自旋。确有劈裂，结果发表在《自然》。日本东北大学团队在MnTe特定方向测得最高0.8电子伏特劈裂。MnTe的磁有序保持至307开尔文，约34摄氏度。

2024年3月，美因茨团队报告在极薄的薄膜中发现锑化铬劈裂。它由铬和锑组成，导电良好，即CrSb。2025年，另一团队绘制CrSb劈裂的三维图样。他们在接近载流电子能量处发现最高约1.0电子伏特。

CrSb可保持有序至约705开尔文，约430摄氏度。它的图样比四叶草复杂、花瓣更多，物理学家称为g波。2024年稍晚，诺丁汉大学领导的团队在瑞典MAX IV实验室用X射线成像MnTe。在30纳米厚、比头发细数千倍的薄膜中，约零下173摄氏度，

他们看到涡旋和反涡旋，旋转方向相反的旋涡图样。把薄膜加工成形状，或在磁场中冷却，就能设定想要的排列。彼得·沃德利称它“像加了转折的反铁磁性”。美因茨大学称，《科学》把交错磁性列为2024年突破之一。

简单故事还要修正一点：MnTe并非完全抵消。每个锰原子留有极小残余磁化，约为电子磁矩的千分之一。它很小，研究人员却能借此控制磁有序。

藏在抽屉里的磁体

托马什·荣维尔特说，交错磁性存在于“许多人只是搁在抽屉里的很多晶体”中。《科学新闻》报道，一项数据库估计有232种交错磁体候选材料。这多于193种铁磁体候选材料，却远少于827种反铁磁体候选材料。哈伊罗·西诺瓦说，一种独特磁态“隐藏了逾百年”。

这很适合标题，却不是全部故事。宗格、拉什巴等人2020年的论文，把磁性自旋劈裂理论追至1964年的佩卡尔和拉什巴。2019年8月，日本物理学家早见、柳和草野表明，某些反铁磁体不靠自旋轨道耦合也能让电子按自旋劈裂。

2019年12月，宗格团队预测氟化锰有最高约300毫电子伏特劈裂，约为三分之一个电子伏特。氟化锰由锰和氟组成，同样不需自旋轨道耦合。氟化锰只在67开尔文以下有序，约零下206摄氏度。牛津的保罗·拉达埃利说，不同作者对交错磁性的定义略有不同。

他还指出，压磁性早在1950年代已知：挤压或拉伸晶体可改变磁化。他认为什梅伊卡尔及同事创造了这个术语。即便如此，理论学家伊戈尔·马津告诉《科学新闻》：“不知怎的，没人想到这种可能性。”这些碎片几十年来散落在各篇论文里。

美因茨和布拉格团队补上完整对称性分类、名称和引导实验的预测。据他们研究所称，仅2025年，早期理论被引逾1000次。2026年7月，欧洲物理学会把欧洲物理学奖授予什梅伊卡尔、西诺瓦和荣维尔特，以表彰发现交错磁性。

存储器的梦想

这在实验室外为何重要？因为许多存储器本已是磁性的。2019年，三星宣布在28纳米芯片工艺量产嵌入其他芯片的MRAM。三星说，其写入约比嵌入式闪存快1000倍，且断电后数据仍在。

2021年，Everspin说，256千比特MRAM芯片被设计进Lucid Air电动车主动力总成系统。注意，三星的1000倍比较的是两种已有存储器。它和交错磁体无关。交错磁体承诺同时满足两项愿望。

它的电子像铁磁体般按自旋劈裂，原则上可电学读取。它的净磁化像反铁磁体般几乎为零，比特可密放而不泄漏磁场。他们的研究所称，这种磁态“可消除铁磁体的可扩展性限制”，即比特能排多密的限制。诺丁汉大学新闻稿更进一步：替换元件可带来“1000倍速度提升”。

这是未来元件的预测，不是测得的提速。2018年的太赫兹写入用的是普通反铁磁体，并非交错磁体。交错磁体的首批切换实验很新，存储芯片仍相去甚远。

还要走多远

那么，这项技术实际到哪一步？MRAM单元的基本部件是磁隧道结。它有两层磁层，中间夹极薄绝缘体，几乎不让电流通过。两层同向或反向时，电阻不同。

这种变化叫隧道磁阻，即TMR。铁磁MRAM的TMR可达数百百分比。2025年6月，韩国蔚山科学技术院团队报告一种隧道结，建在二氧化钌RuO2上，并把信号解释为交错磁性。

其他层是二氧化钛和普通铁磁体钴铁硼。10开尔文，即零下263摄氏度时，隧道磁阻约达5%。高于约50开尔文，它几乎消失。荣维尔特等人2025年的综述说，研究人员预测交错磁体中的隧道

磁阻可与铁磁体相当。这是预测，尚未测得。第二个问题是材料本身。二氧化钌曾是早期代表材料。

2024年初，德国DESY团队用绘制电子能量和方向的动量显微镜，报告时间反演对称性破缺的明显迹象：时间倒流，电子图样会变。但同年，用缪子这种寿命很短、可作微小磁探针的粒子进行的实验，以及中子实验，都未在所测晶体和薄膜中发现可检测磁有序。

2026年，更多体晶体测量未发现有序；而仅2纳米厚的薄膜，受其生长基底晶体拉伸或压缩后，呈现有图样的磁方向。2026年综述总结，二氧化钌的磁基态，即最低能量磁排列，“仍有争议”。隧道结信号是真实测量，但它是否显示交错磁性仍有争议。

所以本片主要依据MnTe和CrSb。第三个问题是切换。存储器必须能按指令翻转比特，且能保持。控制磁畴，即图样朝同一方向的区域，按综述说是“关键前提”。

早先一项铥铁氧化物实验只能暂时重定向磁有序，断电后无法保持。CrSb正开始在这里交出成果。2025年2月，团队在《自然》报告，电流可切换CrSb薄膜中的交错磁有序，薄膜还在室温给出可读取的霍尔信号。

2026年8月，另一团队报告能读取锑化铬的有序，并在含铂二碲化物的分层器件中把它切至选定状态。铂二碲化物由铂和碲组成。他们写道，这可“为可扩展交错磁存储铺平道路”。温度方面也有好消息。

MnTe、CrSb和两种较新的钒化合物都在室温以上保持有序。成绩单如下。这种物理现象已在多种材料中确认。室温磁有序存在，也已报告首批用电读取和切换它的实验。

仍缺少能在室温电学切换的存储单元，还要有和今天MRAM一样强的读出，更别说有竞争力的芯片。

不止两种

回到冰箱贴。它是人人知道的磁体，也是最显眼的那种。但那项数据库统计中，磁矩相消的磁体数量超过铁磁体的5倍。近一个世纪，我们把多数安静磁体归为一类。

其中一些一直在把电子分到不同车道。找到它们无需发明新材料。MnTe早已在抽屉里。改变的是物理学家对对称性提出的问题。

这会不会改变你设备中的存储器，仍未可知。后续实验会显示这些材料能走多远。目前诚实的答案是：磁体不止两种，我们还在分类。