日本原子能机构在铀半导体中发现磁性“强弱波”

日本原子能机构8月21日发布消息称，研究团队在层状铀半导体α-UTe3(α-三碲化铀)中发现一种特殊磁结构：铀原子的磁性不仅沿相反方向交替排列，其磁化强度还会随着晶体位置周期性增强或减弱，形成类似“强弱波”的状态。

α-UTe3由铀原子和碲原子构成，属于范德华层状材料，原子层之间通过较弱作用力堆叠。研究团队利用高质量α-UTe3单晶，结合电阻率、比热、磁化强度测量，以及核磁共振和单晶中子衍射技术，对其低温磁结构进行了分析。结果显示，该材料导电性较差，属于半导体，并在约5开尔文以下表现出反铁磁性。

在通常的反铁磁体中，相邻磁矩方向相反、大小大体相当。但此次研究发现，α-UTe3中铀原子的磁矩沿晶体a轴方向取向，在沿b轴排列的铀原子链中方向交替变化，同时磁矩大小并非固定，而是随空间位置呈周期性起伏。由于这种磁性周期与原子排列周期并不一致，研究团队将其确定为“失配振幅调制反铁磁性”。

研究人员指出，这类磁化强度周期性变化的状态通常更常见于金属材料，因为金属中的电子可在晶体内部运动。而在α-UTe3这样的半导体中，携带磁性的电子主要停留在铀原子附近，传统上更容易被认为各原子的磁性强度较为恒定。因此，这一发现拓展了对半导体磁有序状态的认识。

研究团队认为，α-UTe3中铀原子磁性具有较强方向性，同时铀原子排列形成链状和等腰三角形结构，导致磁相互作用存在竞争，这可能共同促成了磁性“强弱波”的出现。

该成果已于2026年8月7日发表在美国物理学会期刊《物理评论B》上，并被选为编辑推荐文章。研究团队表示，下一步将研究通过减薄晶体、在层间插入其他元素或施加压力等方式，观察这种磁性“强弱波”的周期和反铁磁性出现温度如何变化，以探索调控层状磁性材料磁性的新方法。