RuO₂ 薄膜揭示「交替磁性」新證據，為次世代記憶體材料開啟新想像

在高效能運算與資料儲存需求持續升溫的背景下，材料科學界正積極尋找能兼顧速度、密度與可靠性的全新磁性材料。

近期，日本研究團隊在二氧化釕（RuO₂）薄膜中，成功觀察到一種被稱為「交替磁性（altermagnetism）」的罕見磁性狀態，為長期以來僅存在於理論預測中的磁性類型，提供了關鍵的實驗佐證。

這項成果來自 National Institute for Materials Science、University of Tokyo、Kyoto Institute of Technology 與 Tohoku University 組成的聯合研究團隊。研究指出，透過精準控制 RuO₂ 薄膜的晶體取向，可讓這種原本難以觀測的磁性狀態穩定浮現，並展現出有利於資訊讀寫的電性特徵，為記憶體用材料帶來新的研究方向。

從既有磁性瓶頸談起

磁性材料長期是電腦記憶體與資訊處理技術的核心。

傳統鐵磁性材料具備可由外加磁場直接寫入的優點，但在元件微縮後，容易受到雜散磁場影響而產生穩定性問題。反鐵磁性材料則因自旋彼此抵銷，對外界干擾具備高度抗性，卻也因此難以用電性方式讀取訊號，限制了實際應用。

交替磁性被視為介於兩者之間的第三條路徑。這類材料同樣沒有整體磁化量，卻能在電子結構中保留自旋分裂特性，使得自旋相關訊號仍可被量測。這種特性，使其近年成為自旋電子學（spintronics）領域的重要研究焦點。

晶體取向成為關鍵突破口

過去，RuO₂ 曾被理論預測具備交替磁性潛力，但實驗結果始終不夠一致。研究團隊認為，問題核心在於材料品質與結晶方向的控制。為此，他們選擇在藍寶石基板上成長具有單一晶體取向的 RuO₂ 薄膜，透過調整成長條件，讓原子晶格朝同一方向排列。

這樣的結構控制，讓原本被平均掉的微小磁性差異得以顯現。研究人員利用 X 光磁線性二色性技術，直接確認薄膜內部的自旋排列呈現彼此抵銷的狀態，同時又不完全失去電子結構中的自旋特徵。

電性量測佐證交替磁性存在

除了磁性量測外，團隊也觀察到自旋分裂的磁阻效應，亦即材料的電阻會隨自旋方向改變。這項電性訊號，被視為交替磁性的關鍵指標之一，也補足了僅靠磁性觀察難以說服外界的不足。

研究團隊指出，實驗結果與第一原理計算高度吻合，顯示這並非製程或量測誤差，而是源自 RuO₂ 本身的內在性質，進一步提高了研究可信度。

相較於其他較為前沿、但製程困難的新型磁性材料，RuO₂ 本身已廣泛應用於薄膜製程，與半導體與記憶體製造技術具備相容性。這也意味著，相關研究有機會更快從基礎科學推進到元件概念驗證，縮短產學之間的距離。

研究團隊未來將聚焦於高速、高密度記憶體元件的設計，評估交替磁性在實際資訊讀寫架構中的優勢與限制。

對材料科學與自旋電子學的意義

除了 RuO₂ 本身的應用潛力外，研究中建立的同步輻射磁性分析方法，也可套用到其他候選交替磁性材料，為整個研究領域提供更可靠的實驗工具。這項成果已發表於 Nature Communications，被視為交替磁性研究的重要里程碑之一。

這項研究不僅補上理論與實驗之間的缺口，也再次凸顯「結構控制」在先進材料研發中的關鍵角色。隨著記憶體與運算架構持續演進，交替磁性是否能成為下一波關鍵材料，仍有待後續研究與實際應用驗證。

責任編輯：Sherlock

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