东京大学和高能加速器研究机构(KEK)联合研究团队近日宣布，他们利用偏振中子衍射技术，成功直接观测到交变磁性材料碲化锰(MnTe)中的磁畴，并证实这些磁畴可通过极弱的外部磁场进行控制。相关成果已于6月23日发表在美国物理学会期刊《物理评论快报》上。
这项研究由东京大学固体物理研究所增田隆教授团队与中岛太郎副教授团队合作完成。交变磁性材料的特殊之处在于，虽然其内部自旋呈反平行排列、整体磁化接近于零，却仍能打破时间反演对称性并产生自旋流。因此，它被认为有望用于低功耗、高速度的下一代自旋电子器件。
不过，实际材料中往往会形成多个取向相反的交变磁畴。这些磁畴共存时，可能相互抵消与自旋流相关的效应，影响器件功能。因此，如何观测并控制交变磁畴，一直是交变磁性研究中的关键问题。
研究团队首先通过磁化测量发现，MnTe在外部磁场中冷却后，会产生极小的弱铁磁矩;当冷却过程中施加的磁场方向改变时，这一弱铁磁矩的方向也随之反转。随后，团队使用安装在JRR-3研究堆上的PONTA偏振中子谱仪开展实验，进一步研究MnTe中的磁畴分布。
偏振中子衍射能够同时探测中子与原子核、电子自旋之间的相互作用。研究人员发现，来自核散射与磁散射的干涉信号会随交变磁畴状态而变化。实验结果显示，在磁场中冷却后的MnTe晶体中，可以清楚观测到这种核磁干涉信号;当冷却磁场方向反转时，干涉信号的符号也同步反转，说明交变磁畴发生了切换。
进一步分析表明，MnTe中的弱铁磁矩与交变磁畴存在耦合关系，二者可以通过外部磁场同时调控。研究团队指出，实现这种切换所需的磁场仅为毫特斯拉级，控制条件相对温和。由弱铁磁性产生的漏磁场估计约为10⁻³毫特斯拉，处于极低水平。
研究人员认为，这一成果不仅证明偏振中子衍射是观测交变磁畴的有效手段，也为利用微弱磁场控制交变磁性材料提供了实验依据。由于对称性理论显示，弱铁磁性可能存在于多种交变磁性材料中，这一方法未来有望拓展到更多材料体系，并为低功耗、可控交变磁性器件研发提供支撑。
