貼在冰箱的普通磁鐵表現為鐵磁性，但最近，科學家在一種人造材料中發現全新形式的鐵磁性，其磁矩排列無法以傳統交換作用解釋。

物質具有各種磁性，如順磁性、抗磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性、超順磁性等，最常見磁性形式為鐵磁性，也就是我們日常貼在冰箱、白板上的磁鐵，其原理為材料中所有電子自旋都指向同一方向時就會產生鐵磁性，可說是滿足多種物理效應的完美組合。

其他磁性如順磁性，則是當電子自旋指向隨機方向時會出現的一種較弱形式。

但在一項新研究中，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（德語：ETH Zürich）團隊發現一種奇怪的新形式鐵磁性。

研究人員原本想探索摩爾材料（moiré materials）磁性為何：一種堆疊二維二硒化鉬（molybdenum diselenide）和二硫化鎢（tungsten disulfide）的實驗材料，具有能包含電子的晶格結構。

為了找出摩爾材料具哪種類型磁性，研究團隊先施加電流、穩定增加電壓將電子「注入」材料內，接著利用雷射照射材料、測量不同偏振的光反射強度測量磁性，揭開電子自旋是指向同一方向（鐵磁性）還是隨機方向（順磁性）。

▲ 在團隊製造的摩爾材料中，如果每個晶格位只有一個電子（左），則電子自旋無序；若每個晶格位點（右）有多個電子且形成 doublons 粒子（紅色），就會轉變成鐵磁性。（Source：）

最初該材料表現出具有隨機自旋方向的順磁性，但隨著團隊向晶格添加更多電子，材料超過臨界電子密度，它出乎意料地轉變為鐵磁性；更有趣的是，轉變恰好發生在每個晶格位都填滿 1 個電子之際，排除驅動鐵磁性常見的交換作用（exchange interaction）機制。

研究主要作者 Ataç Imamoğlu 表示：「這是無法用交換作用解釋的新型磁性驚人證據。」

團隊對此提出一種完全不同的機制：當多個電子進入晶格空位，會配對為 doublons 粒子，最終透過量子隧道填充整個晶格。當它們這樣做，電子會調整自旋來最小化自身動能，從而產生鐵磁性，理論已預測這種「動磁」機制數十年，但之前從未在固體材料中觀察到。

研究人員將更仔細研究該現象，檢查是否能於更高溫度再次發生這種機制。畢竟，這種摩爾材料冷卻到接近絕對零度才進行實驗。

發表在《自然》（Nature）期刊。

（首圖來源： CC BY 2.0）