在一項發表於《科學進展》（Science Advances）期刊的最新研究中，美國萊斯大學（Rice University）聯合明尼蘇達大學（University of Minnesota）與瑞士保羅謝勒研究所（Paul Scherrer Institute, PSI）的科研團隊宣布重大突破：長久以來被認為無磁性的二氧化釕（RuO₂），在被製成僅數個原子層厚的超薄薄膜並施加晶格應變時，會展現出全新的「交替磁性」特徵。
這項發現實現了三個層面的突破：不僅為困擾物理學界多年的材料磁性爭議提供了關鍵解答，也驗證了「應變工程」能精準操縱量子態，更意味著未來可用於開發超高速、超低能耗、高密度的下一代量子晶片與隨機存取記憶體（RAM）架構。
從塊材到超薄：厚度與應變改變電子性質
二氧化釕（RuO₂）是一種常見的金屬氧化物與電催化劑，先前曾被理論物理學家預測為新興「交替磁性」（Altermagnetism）的候選材料之一。然而，過去針對塊材（Bulk）或較厚晶體的實驗測量，大多顯示其並不具備明確的磁性行為，引發學界熱烈討論。
該研究作者之一、萊斯大學物理與天文學系副教授易明（Ming Yi）博士指出：「二氧化釕是最早被提出可能具備交替磁性的材料之一，但塊材研究始終無法找出磁性證據。我們的研究顯示，將其減薄至超薄結構，或許才是喚醒其磁性的關鍵鑰匙。」
研究團隊將厚度僅約2奈米（相當於數個原子層）的二氧化釕薄膜成長在二氧化鈦（TiO₂）基板上。由於基板與薄膜之間的晶體結構差異，使超薄二氧化釕產生了受控的「晶格應變」（Lattice Strain），進而徹底改變了其內部的電子結構。
掌握微觀動態：自旋解析光譜揭示「交替磁性」
「交替磁性」是近年才被確立的新型磁態，兼具鐵磁體（易於讀取）與反鐵磁體（無外泄磁場、高穩定性）的優勢。為了確認材料的磁性狀態，研究團隊運用先進的「自旋解析角解析光電子能譜術」（Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, SARPES），精細繪製出超薄二氧化釕的自旋紋理（Spin Texture）圖。
SARPES技術，是一種能在量子層級探測電子結構的先進方法，不僅能測量電子的能量與動量（傳統ARPES的功能），還能進一步鎖定電子的自旋方向（Up或Down）。這讓科學家可以直接「看見」材料內部的量子態。
自旋紋理，指電子自旋在動量空間（K-space）中的特定幾何排列。透過觀察自旋紋理的對稱性與分裂特徵，科學家就能直接判定材料的磁性狀態——是屬於反鐵磁性、交替磁性，還是受拉斯巴（Rashba）效應影響。
論文第一作者張逸辰（Yichen Zhang）表示：「經由實驗數據分析並結合理論計算，我們發現超薄二氧化釕展現出與非常規磁性一致的自旋紋理。這證實了塊材與超薄狀態下的二氧化釕，在適當條件下擁有截然不同的磁學性質。」
實驗同時指出，若缺乏晶格應變，超薄薄膜的電子自旋行為便會恢復到與塊材相似的非磁性狀態。張逸辰補充：「這種對應變的高度依賴性表明，我們未來或許能將晶格應變作為一個『調控旋鈕』，用來誘發或精準控制交替磁性。這在設計下一代自旋電子學與記憶體晶片時極具實用價值。」
平面上的磁場示意圖(Shutterstock)
量子材料調控的新里程碑
這項研究說明量子材料的複雜性與敏感度。易明副教授強調，極高品質的樣品製備與嚴謹的測量技術是成果關鍵，團隊不僅確定了該磁態的對稱性，更找到了未來在量子元件中操控它的潛在途徑。
隨著這項超薄材料隱藏磁性的揭密，未來工程師可望透過「應變工程」（Strain Engineering）進一步釋放低維度量子材料的潛能，帶動運算設備向高密度、高速度與低能耗邁進。
