人们在日常生活中接触的大多数磁体都是简单的两极事物：一个北极和一个南极，一个正极和一个负极。这种熟悉的排列被称为偶极，它支撑着从冰箱贴到硬盘读磁头的一切。但随着量子力学的发展，研究人员发现，磁性在某些晶体材料内部可以呈现出远为奇特的形式，其中包括一种“八极序”，即粒子晶格在集体行为上仿佛带有八个磁极，而非通常的两个。
这些高阶磁态的困难在于，它们极难被观测。它们的净磁矩常常相互抵消，使得传统实验工具实际上对材料中一直存在的这种序视而不见。多伦多大学的一组量子物理学家如今展示了一种方法，通过用光探测电子自旋时产生的原子振动来检测这类隐藏态。这项研究发表在《物理评论快报》上，作者称其为迈向在下一代数据存储和计算硬件中利用多极磁性的关键第一步。
普通仪器无法看到的磁序
教科书中的磁性假设了一幅直截了当的图景：每个磁性原子都像一块微小的条形磁铁，而这些磁条的集体排列产生了我们观察到的效应。多极磁性打破了这幅图景。晶体内部粒子的排列不是产生简单的一对磁极，而是产生更复杂的几何特征——在八极情形下，这种特征读起来仿佛有八个磁极分布在整个结构中。
由于这些磁极对称排列，它们的贡献可能以某些方式相互抵消，从而使底层序对标准磁性测量隐藏起来。多伦多大学物理系及量子信息与量子控制中心教授、该工作的资深作者阿伦·帕拉梅坎蒂直截了当地概括了这一挑战：团队识别出了一种隐藏磁态的特征，而普通探针无法探测到它。
这种不可见性是该领域的核心障碍。一种无法被可靠读取的磁态，就是一种无法被可靠使用的磁态，无论其理论性质多么有前景。
用光倾听手性声子
多伦多大学的研究人员间接地处理了这个问题。他们没有试图正面测量磁序，而是将光照射到一种晶体材料上，并触发其原子结构内极其微小的振动。他们发现，这些振动携带着传统技术所遗漏的磁图案信息。
团队重点关注的特定振动能量包被称为声子，它们在固体的晶格中传播，就像波沿着绷紧的弦传播一样。在这些声子中，研究人员特别挑出了手性声子：即与其自身镜像不匹配的振动模式。
为什么手性很重要
手性一词源自希腊语中的“手”，这个类比很贴切。左手无法严丝合缝地覆盖在右手上，尽管两者互为镜像。手性声子恰恰具有这种手性，而正是这一性质似乎与晶格中原本不可见的磁性排列发生了耦合。
通过观察光如何与这些手性振动相互作用，团队可以推断出那种在传统测量中不留下明显痕迹的磁序的存在。该方法实际上将晶体自身的原子运动变成了一个传感器，用来探测原本会一直隐藏的状态。
迈向读写存储器和量子器件
高阶磁性的实际吸引力在于控制。如果一种磁态能够被可靠地切换并读回，它就可以充当一个比特。多极序是有吸引力的候选者，因为它们对某些类型的扰动具有鲁棒性，同时在原则上仍可切换。
帕拉梅坎蒂指出，这项研究为在若干应用中利用高阶磁体开辟了可能性，包括日常计算机中那种可控读写存储元件。团队及更广泛领域所确定的方向包括：
- 通过光学或振动特征而非传统磁场传感来读取和写入磁态的存储单元。
- 利用多极序在单一材料中容纳更多可区分状态的数据存储架构。
- 依赖晶体固体内部长寿命、受良好保护的内部态的量子技术。
- 由光触发晶格振动驱动切换的计算组件。
这些应用都不会很快实现。多伦多大学的这项成果涉及的是探测——确立一种隐藏序至少可以被观察到——而非工程化一个可工作的器件。但探测是先决步骤：没有可靠的读出机制，任何基于八极序构建的存储器或逻辑元件的设计都将是猜测。
未决问题与未来道路
在多极磁性从物理实验室走向实用技术之前，仍有若干问题有待解决。研究人员需要确定手性声子特征在不同材料和温度下的鲁棒性如何，一种状态能以多快的速度被切换而不破坏使其有用的序，以及同一光学探针能否被改造为既能读取又能写入。
这项工作的更广泛意义在于方法论。多年来，多极磁序之所以被预测和争论，很大程度上是因为它们极难通过实验加以证实。证明光驱动振动光谱学能够揭示八极态，为研究人员提供了一种直接检验这些预测的新工具。
目前，这一结果仍是一所大学量子物理小组发表在同行评审期刊上的原理验证。其重要性与其说在于任何单一器件，不如说在于一种隐藏形式的磁性已被变得可见——而一种隐藏形式的磁性一旦可见，就会成为工程师可以开始考虑加以控制的东西。
本文基于 Phys.org 的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org