我们都已习惯了两种类型的磁体。常见的一种是冰箱贴上的那种铁磁体——它的原子磁矩全都指向同一方向（向上或向下），磁效应相互叠加。另一种不太为人所知的是反铁磁体（AF），它的相邻磁矩方向相反，磁性恰好完全抵消。

在计算机存储研究中，长期以来一直有一股强烈的研究热潮，致力于在这两种极端状态之间创造出新型材料。为此，我们首先需要对这两种极端状态有一个清晰的认识。

今天，我将分享我们的发现。一个由 AI 智能体组成的团队和我一起，设计了一种候选磁性材料，并发现了另一种候选材料——该材料最早于 1999 年被合成——我们的计算预测它具备我们一直追寻的特性。

但在深入细节之前，让我先花 90 秒做一个磁学入门讲解，前提是你不是物理或化学专业的本科生。

90 秒磁学入门

自旋

每个电子都具有一种称为“自旋”的量子力学属性，正是自旋产生了它的磁矩。我们可以将每个电子的自旋方向建模为向上或向下。

自旋电子学

我们利用自旋进行信息存储。已被磁化的材料基于电子自旋向上／自旋向下的方向来存储信息，这与传统磁体基于指向向上／向下存储信息的原理相同。自旋电子技术最著名的例子是硬盘读写头——用于读取磁盘上磁性比特的设备。MRAM（磁阻随机存取存储器）是另一种自旋电子器件，它利用同样的原理以非易失性方式存储二进制信息。

在自旋电子学的领域，我们希望按照自旋方向对电子进行分类，从而能够读取／存储它们所携带的信息。铁磁体天然就能做到这一点：参与导电的电子绝大多数都拥有同一种自旋方向，要么全部向上，要么全部向下。然而，普通的反铁磁体无法区分向上与向下的电子。

这便引出了下一节的内容。

三种磁体

铁磁体

铁磁材料的特征是具有宏观磁场，或者说存在一个会从其表面泄漏出来的磁场。这正是冰箱贴能够吸附在冰箱门上的原因。

然而，问题在于这种磁场会干扰附近的材料，并且很难对其进行精确控制以用于信息存储。此外，反复翻转磁体方向的速度相对较慢，且功耗很大。

铁磁材料的另一个特征是，自旋按照能级进行了（向上／向下方向的）分类。我们可以在电子的能谱中看到这一点：在能谱的边缘附近，所有电子都具有相同的自旋方向。

反铁磁体

如果我们把上面的逻辑反过来——也就是说，自旋没有被分类——那么我们得到的就是普通的反铁磁材料。

此时，处于同一能级的电子会具有混合的自旋方向。这引出了我们关心的两个性质：

• 由于自旋没有按能级分类，因此很难使用自旋电子学技术读取／存储信息。
• 然而，由于没有宏观磁场，我们可以将这些材料更紧密地封装在一起，从而实现更高的存储性能。在速度方面，反铁磁材料的翻转速度也要快上大约一千倍。

唯一的问题是，如果每个能级上的自旋都是混合的，那我们该如何按能量对它们进行分类呢？在缺乏这种分类的情况下，我们又该如何利用自旋电子学读取／存储信息呢？

Luttinger 补偿型（Luttinger compensated）

这就引出了第三种类型——Luttinger 补偿型（LC）。

LC 材料是一类反铁磁体，其中自旋向上的原子和自旋向下的原子具有相同大小的磁矩，因此净自旋矩为零（即两者相互抵消）。但与普通反铁磁体不同的是，向上和向下的原子所处的环境并不等价：它们可以是不同的元素（例如一种元素指向上，另一种指向下），也可以是同一种元素占据两种不同的格位。这一名称来源于 Luttinger 定理：在绝缘体中，晶体的每个重复单元的净自旋矩必须是整数，所以一旦为零就会被锁定在零。严格来说，这一结论在接近绝对零度的完美晶体中成立；而自旋–轨道耦合、热效应等较小的扰动可能会导致轻微的不平衡。

由于向上和向下的原子并不等价，自旋向上和自旋向下的电子现在可以像铁磁材料那样按能量被分开（分选）。

让我们结合前面的章节，看看在铁磁、反铁磁和 LC 磁体中，自旋是如何分布在整个能量分布上的。

对于存储而言，关键在于「自旋窗口」：即带隙边缘处那一段能量区间，其中所有可用的电子态都具有相同的自旋。这个窗口相对于室温下的热扰动（约 26 meV）越大，电子就越能保持良好的分选状态。

这意味着，我们希望获得一种具有带隙的半导体，同时又不丧失按能级分离自旋的能力，并且净磁矩为零。

这正是我们的 AI 智能体（以及我）登场的时刻。下面就来看看这些智能体是如何找到两种有前景的下一代计算机存储材料的。

智能体对每种晶体都运行了量子力学模拟，采用的是这一领域的标准方法——密度泛函理论（DFT），并使用了两种近似层级：一种是较快的（PBE+U），另一种是较慢、通常更精确的（HSE06）。下文给出的带隙和自旋窗口都来自更精确的那一种。

候选材料 1：设计的 Luttinger 补偿型磁体 YBaMnFeO₅

首先，看看我们的 AI 智能体设计了什么样的材料：

• 一种仅由 5 种元素（钇、钡、Mn、Fe、O）组成的新型化合物。据我们所能查到的资料，它此前从未被合成出来，也从未被提出作为这类磁体。
• 该化合物被预测为半导体。
• 这种 Luttinger 补偿型磁体预计具有 2.35 eV 的带隙，且自旋分选发生在带隙的两侧：空穴一侧的自旋窗口为 1.0 eV，电子一侧为 1.4 eV。注意，室温下的热扰动只会带来约 26 meV 的能量起伏。
• 最后，智能体预测该材料在较高温度下仍能保持磁性：在原始模拟中约为 420 K，而将该模拟针对已知磁体进行校准后约为 490 K。

虽然这看起来是一个相当有前景的候选材料，但其设计要求 Mn 和 Fe 原子以完美的棋盘状交替排列。当智能体模拟不同温度下原子的排列情况时，这种棋盘结构在大约 950 K 时就会瓦解成无序混合态。制备这类氧化物需要在约 900–1300 °C 的温度下进行，而在较低温度下原子几乎不发生移动，因此标准的合成工艺很可能得到的是一种混乱无序的晶体。

混乱无序的晶体会失去自旋分选能力，所以这种设计要以其有用的形式被制造出来，可能难度较大。

候选材料 2：在 1999 年报道的 KV[Cr(CN)₆] 中识别出一种 Luttinger 补偿磁体

不久之后，我的智能体发现了这种有趣的材料——此前仅在 1999 年被报道过——它符合上述多项要求。它的零净磁性并不新鲜：合成它的化学家当初就设计让两种金属的磁性相互抵消。即使是它的自旋排列，当时也已经写在论文里了。2008 年一项使用与我们类似的杂化泛函的研究，已经逐自旋地绘制了它的电子态，且图中两个带边（band edges）都带有相同的自旋。但那项研究关注的是压力下的磁耦合，并未特别提及这一点。就我们所知，此前没有人指出这使得 KV[Cr(CN)₆] 成为一种 Luttinger 补偿半导体，也没有人量化它的自旋排列窗口，更没有测试这些窗口的稳健程度。它一直就摆在明处，却无人留意。

KV[Cr(CN)₆] 与普鲁士蓝（Prussian blue）属于同一家族，普鲁士蓝是一种已有 300 年历史的颜料。

我们的智能体将其识别为一种 Luttinger 补偿材料：

• 它预测该材料的带隙约为 2.1 eV，且两个带边都被排列到同一自旋中：空穴窗口为 2.6 eV，电子窗口为 1.6 eV。
• 1999 年合成出的样品在化学家测量的条件下保持磁有序状态直至 376 K（103 °C），高于室温（样品被加热后仍可保持到 365 K）。
• 最重要的是，它的结构把每种金属都锁定在各自的位置上：铬与每个氰根（CN）的碳端键合，钒与氮端键合，而这正是 YBaMnFeO₅ 所缺少的特征。

这些预测针对的是一块完美的、干燥的晶体。迄今为止唯一的样品是 1999 年合成的、孔隙中含有水分的粉末，它表现出微小的剩余磁矩（每个化学式单元 0.125 玻尔磁子，而完美晶体应为 0）。我们的两种模拟方法在水分削弱效应的程度上存在分歧：更精确的方法（HSE06）认为自旋排列得以保留，而更快的方法（PBE+U）则认为空穴窗口会缩小一半以上。其带隙和自旋排列目前都尚未被实验测量。