研究团队借助人工智能筛选出两种室温下兼具零净磁场与自旋筛选功能的半导体材料，为下一代高速内存开发带来突破。
在电脑存储技术中，磁性材料一直扮演着核心角色。我们日常接触的冰箱贴属于铁磁体，其内部原子的磁矩朝同一个方向排列，会对外产生明显的宏观磁场。这种磁场虽然方便读取信息，但泄露的磁场会干扰相邻元件，且磁场翻转的速度较慢、能耗较高。另一种材料叫反铁磁体，其相邻原子的磁矩方向相反，磁场相互抵消，因此不会对外产生宏观磁场。这使得反铁磁体可以紧密排列，且切换速度比铁磁体快约1000倍。然而，普通反铁磁体在每个能量层级上的电子自旋方向都是混合的，无法像铁磁体那样轻松区分自旋方向，因而难以用于自旋电子学存储设备。
为了解决这一难题，物理学界长期致力于寻找一种兼具两者优势的新材料：路丁格补偿型反铁磁体。这种材料内部自旋向上和自旋向下的原子虽然磁矩大小相等、方向相反，能够将净磁矩锁定为0，但它们所处的晶体环境并不对称。这种非对称性使得电子的自旋方向可以按照能量层级进行分离，从而在保持零宏观磁场的同时，实现对电子自旋的精确筛选。
最近，研究人员利用Claude Opus5.5模型组成的智囊团队，通过第一性原理密度泛函理论模拟，成功找到了两种满足上述条件的室温自旋半导体候选材料。
第一种材料是人工设计的全新五元化合物，化学式为YBaMnFeO₅，由钇、钡、锰、铁、氧5种元素组成。计算表明该材料是一种半导体，带隙约为2.35eV，且在带隙两侧均拥有宽广的自旋筛选窗口，其中空穴自旋窗口达1.0eV，电子自旋窗口达1.4eV。这远高于室温下约26meV的热运动干扰。模型预测其磁性在420K(约147℃)的高温下依然稳定。不过，这种设计要求锰原子与铁原子形成完美的棋盘格排列。模拟显示，当合成温度达到950K时，这种棋盘格结构会退化为随机混合状态。由于制备此类氧化物通常需要900℃至1300℃的高温，在实际合成中保持完美有序结构存在较大难度。
第二种材料则是从历史文献中重新挖掘出的既有化合物，化学式为KV[Cr(CN)₆]，早在1999年就被首次合成。该材料属于拥有300年历史的普鲁士蓝颜料家族。研究团队发现，这种化合物天然锁定了金属原子的位置：铬原子固定连接在氰基的碳端，钒原子固定连接在氮端，完美避免了第一种材料中的原子错位问题。计算显示，其带隙约为2.1eV，空穴自旋窗口达2.6eV，电子自旋窗口达1.6eV。更重要的是，1999年的实验数据证实其在376K(约103℃)的高温下依然保持磁有序状态。
这两项发现表明，能够推动下一代自旋电子学发展的室温半导体材料可能已经存在于已知化学库中。通过化学手段精确控制其磁性与结构，人类距离高密度、超高速且低功耗的新型电脑内存又近了一步。下一步研究将重新合成这种普鲁士蓝家族化合物，并对其自旋筛选特性进行直接实验测量。
原文：https://www.vals.ai/blogs/room-temperature-magnetic-semiconductors