揭開常見金屬中的隱藏磁性秘密

人們或許認為，像銅、金這樣的金屬是沒有磁性的——畢竟它們不會像鐵那樣吸附在冰箱門上。但事實上，在合適條件下，它們也會對磁場做出響應——只是其響應的方式極其微妙。

那么，要如何在非磁性材料中檢測極其微弱的磁效應呢？

在一項于近期發表在《自然·通訊》雜志中，一個國際研究團隊報告了一種新穎而強大的技術，能夠只用激光和巧妙的實驗設計，就探測到銅、金和鋁等常見金屬中極其微弱的磁信號。這一技術性的突破有望推動從智能手機到量子計算等多個領域的發展。

磁光克爾效應

一個多世紀以來，科學家已經知曉電流在磁場中會發生偏轉，產生橫向的電壓，這一現象被稱為霍爾效應。當在磁性材料中進行測量時，則會出現反常霍爾效應，其特征是它會產生一個遠大于普通霍爾效應的電壓，且該電壓會隨著外加磁場的增強而趨于飽和。

磁光克爾效應（MOKE）可被看作是反常霍爾效應在光學領域的對應現象。它表現出異常強烈的橫向偏振，同樣在磁場增強時趨于飽和。因此它具備極高的靈敏度，甚至能夠探測到磁性材料中單原子層的磁性，可作為一種通過激光測量磁場如何影響光反射的技術。

把“磁性”的音量調大

為了解決如何探測非磁性材料中極其微弱的磁效應這個難題，研究人員對MOKE技術進行了改進。

具體來說，他們通過將波長440納米的藍色激光與外加磁場的大調幅相結合，大幅提升了測量的靈敏度，進而成功探測到了銅、金、鋁、鉭和鉑等非磁性金屬中的磁性“回聲”——這在過去幾乎被認為是不可能完成的任務。

傳統的霍爾效應測量需要在設備布設微小的導線，這一過程既耗時又復雜，對于納米尺度器件來說尤為棘手。但在新的研究中，研究人員則大大簡化了這一過程——僅需使用激光照射設備，無需電線來進行任何物理接觸。

從“噪聲”到“信號”

此外，研究團隊驚訝地發現，原本看似雜亂無章的“回聲”信號，其實并不是隨機的“噪聲”，而是隱藏著清晰的規律。這種規律性的信號模式與一種名為自旋軌道耦合的量子特性有關，這種特性描述了電子的運動方式與它們的自旋之間的關系。

這種耦合也影響了材料中磁能的耗散方式。因此，這一發現可能直接推動磁存儲、自旋電子學乃至量子系統的設計優化。

研究人員將這比作突然發現收音機里的“雜音”其實是一種低聲的有價值的信息，而現在他們得以用光“傾聽”這些來自電子的隱藏信息。

研究自旋與磁性的全新窗口

事實上，早在1881年，霍爾效應的發現者——埃德溫·霍爾（Edwin Hall），就曾嘗試用光來測量霍爾效應，但未能成功。現在，新研究把一個困擾科學界近150年的難題，轉變為一次通向未來技術的新機會。

它提供了一種非接觸式、高靈敏度的手段來探索金屬中的磁性，它不再需要大型磁鐵或極低溫環境。研究人員表示，其簡單性與高精度將有助于開發更快的處理器、更節能的設備，以及更精準的傳感器。

#參考來源：

https://europeanfriends.huji.ac.il/news/shedding-new-light-invisible-forces-hidden-magnetic-clues-everyday-metals-unlocked

https://www.nature.com/articles/s41467-025-61249-4

#圖片來源：

封面圖&首圖：Paz Roth