日本东北大学、J-PARC中心、庆应义塾大学和京都大学等机构组成的研究团队，利用自旋极化中子散射实验，直接观察到螺旋磁性材料中原子磁矩的“右旋”或“左旋”排列，并确认这种旋向可通过电流和磁场进行高精度控制。相关成果于2026年6月16日(美国时间)发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
螺旋磁体是一类特殊磁性材料，其内部原子的磁矩不是简单地朝同一方向排列，而是像螺旋一样依次扭转。由于螺旋可以分为右旋和左旋，研究人员设想将这两种状态分别对应为“0”和“1”，用于新型磁存储技术。与传统铁磁材料相比，这类材料不依赖整体磁化，不易在周围产生磁场，有望减少比特之间的相互干扰，因此受到自旋电子学领域关注。
此前，科学界已尝试通过同时施加电流和磁场来改变金属螺旋磁体的旋向，但相关判断主要来自电导率等宏观测量，属于间接证据。此次研究的关键进展在于，团队借助中子自旋与材料中原子磁矩之间的相互作用，用自旋极化中子散射对螺旋旋向进行了微观层面的直接观测。
研究团队选取了即使在室温下也能保持稳定螺旋磁性的YMn6Sn6材料，并制备出适合中子散射实验的大尺寸单晶样品。随后，他们使用自主开发的实验装置，对样品施加大电流和强磁场，以控制其螺旋旋向。样品随后被送至高强度质子加速器装置J-PARC的材料与生命科学实验装置，在BL15“大观”光束线上开展自旋极化中子散射测量。
实验显示，中子散射强度会随入射中子自旋方向变化而出现明显差异，说明样品内部大部分区域已经排列为同一种螺旋旋向。研究确认，超过90%的样品体积可被控制在同一旋向状态，最高比例达到99%。在其中一个施加平行电流和磁场的样品中，测量结果显示约98%的区域呈左旋螺旋排列。团队还对反转电流和磁场条件后的样品进行了测量，结果表明材料可被高精度切换为右旋或左旋状态。
研究人员表示，这一结果为理解螺旋磁性金属中旋向调控的微观机制提供了直接证据，也为未来利用螺旋磁性材料开发新型自旋电子器件和磁存储技术奠定了实验基础。
图 1 展示了螺旋磁性材料的绕线方向控制。原子磁矩呈螺旋状排列，从而实现了左旋和右旋绕线的自由度。通过同时施加电流和磁场，可以将材料排列成左旋或右旋绕线。在螺旋磁存储器中，这些方向分别被赋予“0”和“1”。
图 2. 用于控制螺旋磁铁绕线方向的实验装置。
图3展示了自旋极化中子散射测量的结果。测量是在样品A上进行的，样品A施加了平行电流和磁场。结果表明，整个样品98%的区域排列成左旋螺旋状。
