紐約大學物理學家團隊近期在鈾和銻的化合物 USb2 中發現一種新型磁鐵，與現有已知的磁鐵不同，這種「單重態磁鐵」（singlet-based magnetism）能夠快速在磁化、非磁化狀態之間變化，在持續研究下，未來或有望用來提高電腦的數據儲存能力。
帶負電的粒子（即電子）會產生微小磁場，在大多數物體中，這些磁場指向隨機方向並相互抵消，但在某些材料中，這些粒子方向會變得一致並產生夠強大的磁場，足以移動一堆鐵屑或使指南針指向北方。從冰箱磁鐵到地球本身的磁力，幾乎所有已知的磁鐵都是以這種方式運作，但團隊發現的這種單重態磁鐵則是以完全不同的形式運行。
就像許多其他物體一樣，USb2 內部的電子不傾向於將磁場指向相同方向，因此並不能透過彼此磁場強度的組合來產生磁性，但 USb2 中的電子可以共同工作，形成被稱為「自旋激子」（spin excitons）的量子力學物體，這種準粒子（quasiparticles）在適當的溫度下會相互黏著，並暫時形成一個對齊的磁場。
▲ 在常見的磁性材料（左）中粒子的磁矩會試圖與周遭對齊，而在基於單重態的材料中（右），不穩定的磁矩會瞬間閃現，並且以對齊的形式相互黏著。（Source：NYU）
這並不是科學家第一次嘗試製造單重態磁鐵，數十年來科學家已經進行過多次嘗試，但過去製造類似磁鐵的所有嘗試都是在極低溫度下進行實驗，這種情況也使得研究者難以確認材料是否能成為磁鐵，或者更深入去研究它們。
相較之下，紐約大學團隊打造的鈾化合物在約 -70°C 時變得有磁性，較過往所有實驗製造的磁體溫度高出數百度，除了首次證明單重態磁鐵可以在過冷環境之外以穩定的方式存在，團隊也得以用可行的方式在微觀層面對其進行研究。
相較其他磁鐵是隨著溫度降低緩慢轉變，單重態磁鐵在磁化和非磁化狀態間轉換的速度更快且更容易，研究人員 Andrew Wray 認為，這對數據儲存技術的進步十分有利。「對於數據儲存來說，你會希望它很有效，但又不希望花費太多能源來達成，才能讓使用者輕鬆寫入新訊息。」
以目前來說，由於材料是以放射性鈾製成，這項研究目前還沒有準備好實際應用到電腦硬體中，但團隊認為這是邁向成功的第一步，未來將有望在其他更適合的材料上實現這種單重態的磁性。
這項研究已經發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上。
- There’s a weird new type of magnet that shouldn’t be able to exist
- Physicists Found a Brand-New Kind of Magnet Hiding in a Uranium Compound
（首圖來源：shutterstock）
