我們正在分享兩種用於下一代電腦記憶體的候選磁性材料，由 Claude Opus 5.5 代理人團隊發現。預計兩者都具有零淨磁矩，但仍能依據電子自旋對其進行分類：其中一種是我們設計的新化合物，另一種則是於 1999 年首次製成的材料。我們將分享完整的計算、程式碼以及已知限制清單。
我們都習慣了兩種磁鐵。常見的冰箱磁鐵是鐵磁性的——其原子磁鐵都指向同一方向（向上或向下），疊加其磁性效應。較不為人知的是反鐵磁體（AF），其相鄰的原子磁鐵指向相反方向，並在磁性上完全抵消。
長期以來，電腦記憶體研究一直有強烈的動力去創造介於這兩種極端之間的材料。為此，清晰地描繪出這些極端的意義很有幫助。
今天，我將分享我們的發現。一個 AI 代理人團隊和我設計了一種候選磁鐵，並找到了另一種於 1999 年首次製成的材料，我們的計算預測它具有我們所尋求的特性。
但在深入探討細節之前，請允許我先提供一份磁鐵入門指南，假設您不是物理學或化學的本科生，這份指南只需要 90 秒。
每個電子都有一種稱為「自旋」的量子力學性質，這負責其磁矩。我們可以將每個電子的自旋方向模型化為向上或向下。
我們利用自旋進行儲存。磁化材料根據其電子的自旋向上/向下方向儲存資訊，就像傳統磁鐵根據指向向上/向下儲存資訊一樣。自旋電子學最突出的例子是硬碟讀寫頭，這是讀取磁碟上磁性位元的裝置。MRAM 是另一種利用相同原理以非揮發性方式儲存二進位資訊的自旋電子學技術。
在自旋電子學領域，我們希望依據電子的自旋方向對其進行分類，以便讀取/儲存其資訊。鐵磁體自然就能做到這一點：攜帶電流的電子大多是同一種自旋，向上或向下。然而，一般的反鐵磁體無法區分向上/向下的電子。
這將我們引導至下一節。
鐵磁材料的特徵是具有宏觀磁場，或從表面洩漏出的磁場。這就是為什麼冰箱磁鐵會黏在冰箱門上。
然而，問題在於磁場會干擾附近的材料，並且難以控制以用於儲存目的。此外，來回切換磁鐵相對緩慢且耗電量大。
鐵磁材料的另一個特徵是自旋根據能級進行分類（依據向上/向下方向）。當我們查看電子的能譜時可以看到這一點：在能譜邊緣附近，電子都具有相同的自旋。
如果我們將上述邏輯反轉，也就是說，自旋未經分類，我們就會得到一般的反鐵磁材料。
在這裡，相同能級的電子將具有混合的自旋。這讓我們關注兩個有趣的特性：
唯一的問題是，如果每個能級的自旋都是混合的，我們該如何依據能級對它們進行分類？在這種缺乏分類的情況下，我們如何利用自旋電子學來讀取/儲存資訊？
這就引導我們到第三種類型：Luttinger 補償（LC）。
LC 材料是反鐵磁體，其中自旋向上原子和自旋向下原子的磁性大小相同，使得淨自旋矩為零（即它們相互抵消）。然而，與一般的反鐵磁體不同，向上和向下的原子處於不等價的環境中：它們可以是不同的元素（例如，一種元素指向向上，另一種元素指向向下），或是在兩種不同類型的位點上的相同元素。這個名稱來自 Luttinger 定理：在絕緣體中，晶體每個重複單元的淨自旋矩必須是整數，因此一旦為零，它就會保持鎖定在零。嚴格來說，這適用於絕對零度附近的完美晶體；較小的效應，如自旋軌道耦合和熱量，可能會留下輕微的不平衡。
由於向上和向下的原子不等價，因此向上/向下的自旋現在可以像鐵磁材料一樣，依據能級進行分離（分類）。
讓我們以前面的章節為基礎，看看鐵磁、反鐵磁和 LC 磁體的自旋如何在能量景觀中分佈。
對於儲存而言，重要的是「自旋窗口」：帶隙邊緣的能量切片，其中每個可用的電子狀態都具有相同的自旋。這個窗口相對於室溫下的熱擾動（約 26 meV）越大，電子就越能保持分類狀態。
這意味著我們希望擁有一個具有帶隙的半導體，同時不失去依據能級分離自旋的能力，並且具有零淨磁矩。
這就是我們的 AI 代理人（和我）登場的地方。讓我們深入探討這些代理人如何為下一代電腦記憶體找到兩種有潛力的材料。
代理人使用標準方法——密度泛函理論，以兩種近似級別運行每個晶體的量子力學模擬：一種較快的方法（PBE+U）和一種較慢但通常更準確的方法（HSE06）。下面的帶隙和自旋窗口來自更準確的方法。
首先，讓我們看看我們的 AI 代理人設計了什麼：
雖然這看起來是一個非常有潛力的候選材料，但該設計要求 Mn 和 Fe 原子處於完美的棋盤格排列。當我們的代理人模擬原子在不同溫度下的排列方式時，該棋盤格在約 950 K 時會崩潰成隨機混合。製造這種氧化物大約需要 900–1300 °C，而在較低溫度下原子幾乎不動，因此標準合成很可能得到一個混亂的晶體。
混亂的晶體會失去自旋分類，因此這種設計可能難以以其有用的形式製造。
不久之後，我的代理人發現了這種有趣的材料，它於 1999 年首次被報導，符合上述許多要求。其零淨磁矩並非新發現：製造它的化學家設計了兩種金屬的磁性使其相互抵消。甚至其自旋分類也已經在理論上提出。2008 年的一項研究使用與我們類似的混合泛函繪製了其逐個自旋的電子態圖，並且該圖中的兩個帶邊都帶有相同的自旋。但該研究是關於壓力下的磁耦合，從未對此進行評論。據我們所知，沒有人指出這使得 KV[Cr(CN)₆] 成為一種 Luttinger 補償半導體，量化其自旋分類窗口，或測試其魯棒性。它一直隱藏在眾人眼前。
KV[Cr(CN)₆] 屬於普魯士藍的家族，這是一種 300 年歷史的顏料。
我們的代理人將其識別為一種 Luttinger 補償材料：
這些預測是針對完美的乾燥晶體。迄今為止唯一的樣本是 1999 年製成的粉末，其孔隙中有水，並顯示出微小的殘留磁矩（每分子式單位 0.125 Bohr 磁子，而完美晶體應為零）。我們的兩種模擬方法在水削弱效果的程度上存在分歧：更準確的方法（HSE06）認為自旋分類得以保留，而較快的方法（PBE+U）則認為空穴窗口縮小了一半以上。帶隙和自旋分類都尚未測量。
我們確定了一種結合了兩種常見磁體特性的材料，並可能在自旋電子設備中有用。我們相信本文討論的兩種材料是同時具有反鐵磁和鐵磁特性的材料類別的有潛力範例。
兩種材料的關鍵特徵：在我們對完美晶體的計算中，它們具有零淨自旋矩，但它們是半導體，其電子在遠大於室溫熱擾動的窗口內依自旋進行分類。由於雜散磁場很小，它們不太可能干擾鄰近材料。
以下是我們兩種材料的評分：
這表明用於下一階段自旋電子學的材料可能已經存在，等待被識別。2025 年的一項預測了另外兩種 Luttinger 補償半導體的研究所發現，兩者都會在室溫以下失去磁序，並將一種室溫材料命名為開放目標。KV[Cr(CN)₆] 已經被製造出來，其 1999 年的樣本在 376 K 以下都保持有序。識別室溫 Luttinger 補償半導體是邁向實用自旋基技術的一步，特別是如果其磁性可以透過化學方法控制的話。下一步是再次製造 KV[Cr(CN)₆] 並直接測量其自旋分類。
