第五节 磁性材料

一、磁性原理研究的新进展

1．金属磁原理研究取得重大突破

揭开氧化钴钠金属反铁磁性之谜。2005年8月，美国加州大学圣塔克鲁兹分院，物理学家斯里南·沙斯特莱主持的一个研究小组，发表论文称，他们在金属磁原理领域，取得理论上重大突破，这对超导体和磁存储器设备（如移动硬盘）的发展，将起到重要作用。

沙斯特莱指出，动力反铁磁性解决了，几十年来一直困扰着理论物理学家们的一道难题。他认为，该基础原理，可以预测某些特定金属，如氧化钴钠的金属反铁磁性。金属的反铁磁性，是理论物理学的一个真正前端领域，而且在材料科学方面具有实际应用价值。

氧化钴钠是由一定数量的钠离子组成，并用氧化钴层将其夹在中间。钴原子形成一个三角形的晶格结构，引起“电子挫败”，即系统中的电子，无法达到最小化全部能量的单一状态。

近40年来，对于类似氧化钴钠这样的金属材料，为何具有反铁磁性的原因，一直都没有得到解释，而沙斯特莱的研究得出了一个令人惊讶的结果。金属的磁性来源于电子自旋的结构，电子自旋属于量子机械性能，既可以“向上”，也可以“向下”。在铁磁性金属中，电子会自动按照同一个方向进行自旋。我们的冰箱磁铁和其他设备中的磁铁，每天都有铁磁性的存在。

反铁磁性现象中，一些电子按照规则的模式进行，而相邻电子朝着相反方向或反平行自旋。但是，对于三角形晶格中的电子来说，由于每个三角形中的两个电子都必须按照相同方向自旋，因此自旋结构已经不存在。三角形晶格中的动力反铁磁性，是由电子的运动引起的，晶格中的每个电子只有一个单独的“电子空穴”。研究人员利用理论模型，来研究电子空穴周围的自旋结构，发现电子空穴被一个“落空”的六角形环绕，其中电子自旋以反铁磁性模式交替进行。这样的话，电子空穴可以被看做一个不断移动的混合体，而周围的电子自旋以反铁磁性排列进行。

研究人员用移动电子空穴的概念，来简化大量电子运动的分析，而且提出“落空”晶格中的单个电子空穴运动，是由较弱的反铁磁性能引起的。

氧化钴钠是人类已知的第一种拥有三角形晶格结构的金属化合物。晶格内电子空穴的密度大小，主要取决于钠的含量，而且这对材料的磁性也有很大影响。沙斯特莱的新理论，为该物理体系打开了新的通路。

2．观察磁性粒子运行的新发现

（1）首次在实物中发现磁单极子的存在。

2009年9月3日，德国亥姆霍兹联合会研究中心，乔纳森·莫里斯和阿兰·坦南特等人组成的一个研究小组，《科学》杂志上发表研究成果称，他们在德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔大学及英国牛津大学同事的协作下，首次观测到磁单极子的存在，以及这些磁单极子在一种实际材料中出现的过程。

磁单极子是科学家在理论物理学弦理论中，提出的仅带有北极或南极单一磁极的假设性磁性粒子。在物质世界中，这是相当特殊的，因为磁性粒子通常总是以偶极子（南北两极）的形式成对出现。磁单极子，这种物质的存在性，在科学界时有纷争。迄今为止，科学家们还未曾发现过这种物质，因此，磁单极子，可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一。

英国物理学家保罗·狄拉克早在1931年就利用数学公式预言，磁单极子存在于携带磁场的管（所谓的狄拉克弦）的末端。当时，他认为，既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在，那么理应带有基本“磁荷”的粒子存在，从而启发了许多物理学家，开始了他们寻找磁单极子的工作。科学家们曾通过种种方式寻找磁单极子，包括使用粒子加速器人工制造磁单极子，但均无收获。

此次，德国研究小组在柏林研究反应堆中，进行了一次中子散射实验。他们研究的材料是一种钛酸镝单晶体，这种材料，可结晶成相当显著的几何形状，也被称为烧录石晶格。在中子散射的帮助下，研究人员证实，材料内部的磁矩，已重新组织成所谓的“自旋式意大利面条”，此名得自于偶极子本身的次序。如此一个可控的管（弦）网络，就可通过磁通量的传输得以形成，这些弦可通过与自身携带磁矩的中子进行反应观察到，于是中子就可作为逆表示的弦进行散射。

研究人员也在热容量测量中，发现了由这些单极子组成的气体的特征。这进一步证实了单极子的存在，也表明它们和电荷一样以同样的方式相互作用。

在此项工作中，研究人员首次证实单极子以物质的非常态存在，即它们的出现，是由偶极子的特殊排列促成的，这和材料的组分完全不同。除了上述基本知识外，莫里斯对此结果进行了进一步的解释，他认为，此项工作正在书写新的物质基本属性。一般来说，这些属性，对于具有相同拓扑结构（烧录石晶格上的磁矩）的材料来说，都是适用的。

研究人员认为，此项技术将产生重要的影响。不过，最重要是，它标志着人们首次在三维角度，观察到磁单极子的分离。

（2）首次观察到磁性材料中的磁振子拖曳。

2011年12月18日，西班牙卡特兰纳米技术研究院的研究小组，《自然·材料学》网络版上发表论文称，他们在一项最新发现中，首次观察到了磁振子拖曳。这一发现，结束了科学家50年来追寻独立热电效应的历程，对研究能量转化应用、开发自旋信息传输新途径也具有重要意义。

热电效应能帮助人们在纳米尺度管理热量，利用热量流动来操控自旋信息。随着信息技术的发展，自旋电子学中的热电效应，越来越受到人们关注。20世纪50年代，首次发现热电效应，在固体中，当电子经过原子，其电荷就会改变附近的晶格结构，产生波动；反过来，晶格波动也会影响电子运动，就像海浪推动一个冲浪运动员在滑行。这种相互作用导致的热电效应，其实是一种声子拖曳效应。此后不久，科学家预言在磁性材料中也存在类似现象：磁振子拖曳。

在铁磁体中，自旋保持着平行的方向。如果发生了紊乱，就会产生自旋波影响电子运动，因此磁振子流（自旋波量子）也会拖动电子。研究人员解释说，尽管这和声子拖曳很相似，但要观察磁振子拖曳却非常困难。主要原因是声子拖曳太显著，把磁振子拖曳和声子拖曳区别开非常困难。多年来，科学家只报道过一些间接证据。为此，研究人员设计了一种特殊设备来分开磁振子拖曳和其他热电效应。这种设备类似一种温差电堆，在冷热源之间以热并联电串联的方式，排布大量成对的铁磁线，通过控制成对铁磁线中的磁方向，来分离电子和声子拖曳的热电效应，独立研究磁振子拖曳。

二、磁性材料开发的新发现

1．发现新型磁性材料

（1）发现银原子团簇具有磁性。

2006年6月，西班牙孔波斯特拉的圣地亚哥大学，物理学家曼努埃尔·佩雷罗主持的一个研究小组，通过计算机模拟，发现了一个出人意料的结果：银原子团簇具有磁性，而宏观物质中的银原子一般是抗磁性的。所以说，研究小组得到的这个结果比较反常。如果能够在实验室中制出这种团簇，它就能在生物医学中得到很多应用。原子和离子团簇是介于单原子和宏观物质之间的物质形态。金属团簇，被广泛地应用于催化剂，因为它们的面积与体积之比非常大，所以能加速化学反应。最近，研究人员们开始研究磁性团簇，是否能应用于生物医学中，例如分离被指示的生物细胞、改进药物输送方式和提高磁共振成像的对比度。

佩雷罗研究小组，利用现成的计算包计算了“密度泛函”。整个计算过程，包括求解多种银原子团簇基态的薛定谔方程。他们分析了很多试验性样本，包括2个银原子到22个银原子组成的不同团簇。在这些团簇中，他们集中考察了那些具有最大磁矩的结构。

研究人员发现，具有最大磁矩的稳定团簇，是含有13个银原子的团簇。这是因为这种结果，具有很强的正20面体对称性。对称性使得银原子轨道简并，从而产生了磁性。大于13个银原子的团簇破坏了对称性，所以磁矩变小；而小于13个银原子的团簇，磁矩较小，则是因为它们的不稳定性和不规则形状。

13个银原子组成的团簇中，边上原子的电子会向中间迁移，使得内部原子更稳定。这种电荷迁移降低了内部原子的磁性，但是增强了外部原子的磁性。这是因为外部原子未配对轨道增多，而内部则恰好相反。通常，在没有外部磁场时，只有含有未配对自旋的原子才表现出磁性。

因为这种磁性团簇，相对于传统金属团簇，具有更好的生物适应性和更低的毒性，所以它们可以在医学中得到应用，例如它们可以制成非常理想的治疗药物输送器。另外，它同时也为实验研究者，提供了一个研究团簇磁性的“黄金机会”。

（2）发现一种超强的磁材料。

2007年2月11日，美国西北大学物理学家威廉·哈尔佩林教授领导的一个研究小组，在《自然·物理》杂志上发表研究成果称，他们证实，一种含金属铋化合物（Bi-2212），是极好的强磁材料，如果能把它加工成导线，那么它有望制成世界上最强的磁体，磁场强度可达30特斯拉。

目前，低温超导金属铌合金丝，是广泛用于医院和实验室中磁共振成像仪的磁体，它产生的磁场强度最高为21.1特斯拉，这几乎达到了其磁场强度的极限。现在还没有任何超导磁体能够产生30特斯拉的磁场。哈尔佩林说：“实现从21特斯拉到30特斯拉的飞跃，需要新材料技术，例如基于高温超导的技术。”

当超导体被冷却到适当的温度后，它在导电时便没有电阻存在。这种铋化合物材料，在零下183℃时出现超导特性。但研究小组发现，只有当温度下降到零下261℃时，该材料才会出现高磁场所需的稳定状况。哈尔佩林表示：“要产生30特斯拉的磁体，我们需要能够负载所需电流，而又不会遭到破坏的超导材料。该铋化合物材料必须在零下261℃以下工作，此温度可以采用液氦冷却来实现。”

虽然研究人员了解到这种铋化合物材料的信息，但是哈尔佩林表示，下一步的问题，是能否利用它制作出实际的磁体，这依赖于工程技术手段将其加工成导线。目前，他组里的科学家和工程师，正在全力以赴解决此难题，并希望获得肯定的答案。医学诊断用磁共振成像仪，与大学、国家实验室和医药公司的研究人员使用的磁共振成像仪相比，后者主要用于研究DNA、蛋白质和其他复杂的分子，其磁场强度最高为21.1特斯拉，是前者磁场强度的10倍。然而，要使磁场强度从21.1特斯拉增加到22.1特斯拉，磁共振成像仪的价格将增加200万美元。对磁共振成像仪而言，磁场强度越高，意味着其具有更高的分辨率，这能帮助科学家进行更细致的分析。

2．发现研制磁性材料的新方法

（1）发现控制纳米磁铁的新方法。

2006年4月，德国康斯坦兹大学，乌布利希博士领导的一个国际研究小组，对媒体公布研究成果称，他们发现，磁铁与一定类型纳米粒子几何性质之间的关系，会影响它们反复磁化的机理。

新型凸起多层薄膜，与原先研究的纳米材料不同，多数旧纳米材料是具有一定厚度的平面纳米材料。为了研制凸起铁磁性薄膜，厚度小于1纳米的钴层和钯层，在表面喷涂有直径为50纳米的球形粒子，即在表面形成所谓的“纳米帽”。科学家在研究这种多层喷涂层时查明，改变其厚度会影响纳米粒子的磁性。

在实验过程中，研究人员在已经磁化的“纳米帽”上加一个反向磁场，然后分析每个纳米粒子如何发生反复磁化。在薄膜比较厚处，球形粒子表面上观察到径向磁场各向异性，即材料的铁磁性取决于方向，同样在薄膜比较薄的地方，没有出现材料的铁磁性和磁场各向异性。

乌布利希博士解释说：“喷涂有球形粒子的多层薄膜会在‘纳米帽’中产生各向异性，与平面薄膜不同，‘纳米帽’中的径向磁场各向异性会引起纳米粒子磁性的变化。”为了详细研究弯曲薄膜中反复磁化现象，研究人员利用计算机微磁铁模拟，借助于扫描隧道显微镜成功查明，薄膜具有粒状结构，同时对薄膜的磁场各向异性有影响。在原子力和磁力显微镜获得的图像中，可以清楚地看到，单独纳米粒子由于反向磁场作用而翻转。因此，改变和控制薄膜厚度、各向异性和纳米粒子磁性，就有可能研制出，具有可调节磁性的新型纳米材料。乌布利希博士认为，运用“纳米帽”可研制新型磁记录装置，具有记录简单和高热稳定性的优点，这都有助于研制出具有更高信息储存密度的磁性载体。

（2）发现单原子磁性控制新方法。

2014年1月，英国伦敦纳米技术中心研究员赛勒斯主持，葡萄牙伊比利亚纳米技术实验室费尔南德斯·罗西尔博士等来自英国、德国、西班牙和葡萄牙研究人员，组成一个国际研究小组，在《自然·纳米技术》杂志上发表研究成果称，他们发现，决定磁性稳定性及其在各种设备用途的单个原子的磁场方向，可以通过改变这个原子与附近金属间的电耦合进行修改。

任何人只要玩两块磁铁，就可以体验它们是如何依靠磁极的相对方位，来互相排斥或吸引。事实上，在一个给定的磁体里，这些极点倾向于一个特定的方向，而不是被称为磁各向异性的随机性。所谓磁各向异性，就是磁性物质沿不同方向磁化的程度不同。其特性，被应用于，从指南针到硬盘驱动器的多个领域当中。

罗西尔博士强调：“对于大片的磁性材料，磁各向异性主要是由一个磁铁的形状决定的。形成磁性材料的原子也是磁性本身，所以具有其各自的磁各向异性，但原子是如此之小，几乎不可能归因于其形状，并且一个原子的磁，各向异性通常是由相邻原子的位置和电荷来控制的。”

研究小组利用能够在表面上观察和操纵单个原子的工具，即扫描隧道显微镜，发现了在原子尺度上控制磁各向异性的新机制。在实验中，他们观察到，单个钴原子的磁各向异性依靠其在铜表面上的位置，覆以原子薄的氮化铜绝缘层后戏剧性的变化。

这些变化随着另一种现象的强度而有很大改观，即近藤效应，就是来自磁性原子和附近金属之间的电耦合。在德国和葡萄牙理论和计算模型的帮助下，研究人员发现，除了常规的结构机制，在金属基体和磁性原子间的电子相互作用，也可以起到确定磁各向异性的主要作用。

赛勒斯说：“电气控制属性，以前只能通过结构的变化来调整，而未来将能够为设计小型化信息处理、数据存储和传感仪器提供极大的可能性。与更为传统的机制相反，这将促成利用驱动许多晶体管、场效应的相同过程，在电力上调谐这种磁各向异性。”

三、磁铁与磁性粒子研制的新进展

1．磁铁研制的新成果

（1）研制可望解决物理学重要问题的世界最大磁铁。

2006年10月，有关媒体报道，牛津大学李察·尼克森博士领导的研究小组，研制的世界上最大超导磁铁，已经成功达到其运行所需条件，它被叫做圆桶，因为它形状类似。这一磁铁是阿特拉斯设备的重要组成部分，阿特拉斯是获取欧洲核子研究中心大型强子对撞粒子数据的主要探测器，新的粒子加速器将在2007年11月正式运行。

阿特拉斯探测器，能帮助科学家解决宇宙的重大问题：大爆炸时究竟发生了什么？为什么宇宙物质会变成现在这样？为什么我们看到的宇宙物质多于反物质？

英国科学家承担的任务，是阿特拉斯设备计划的重要部分。尼克森博士很重视这一进展，他说：“这是测量 μ介子的关键，并且能帮助我们更好地了解物理世界。”

阿特拉斯探测器的这个磁铁，由8个超导线圈组成，每一个都是5米宽，25米长，100吨重的圆角长方形，精确到毫米。它们会帮助控制大型强子对撞产生带电粒子的路径，测量重要性质。阿特拉斯设备不需要大量金属，这使探测器可以非常大，提高测量的精度。

阿特拉斯设备长46米，宽25米，高25米，是粒子物理学史上最大的探测器。它主要研究为什么粒子拥有质量，宇宙96%的未知成分是什么等。来自35个国家165个大学及实验室的1800名科学家，参与了阿特拉斯探测器的建造，并为明年获取的数据做着准备。

大磁铁首先在六周时间内，被冷却到零下269℃。然后逐步提高电流，在2006年11月9日达到21千安培。接着电流被切断，储存的磁能达到1.1GJ，这大约等于1万辆车以70千米每小时速度行驶。阿特拉斯探测器磁系统领导赫尔曼·十凯特说：“我们可以说阿特拉斯探测器，为物理测量做好了充分准备。”

（2）研制出能延长量子比特寿命的人造分子磁铁。

2012年3月，英国牛津大学阿章·阿达万，以及他的同事和曼彻斯特大学研究人员联合组成的一个研究小组，在《物理评论快报》上发表论文称，他们通过化学工程，制造出一种名为Cr7Ni的特殊分子结构，并演示了其磁性能保持量子叠加态超过15微秒，在因退相干而失去信息之前，它们的自旋状态可反复转换。研究人员指出，这一成果，为未来的量子计算机中，用分子磁铁作为量子比特提供了证据。

分子磁铁是一种分子，其磁矩通常按分子结构的特殊轴线排布，因此在磁场的影响下，其电子自旋方式也会变成不止一种状态。在低温下，即使没有磁场，它们也能保持这种状态，这一特性使采用它们来存储信息成为可能。

利用化学工程合成人造分子，可以作为量子比特，并使其记忆时间段大大延长。研究人员介绍说，实现单量子比特操作的必要时间为10纳秒，根据以往对Cr7Ni分子磁铁的研究，其相干时间大大超过了这一限制。此前的记忆时段最高纪录为3.8微秒，另外一些分子磁铁系统的记忆时长也能保持在1微秒左右。

在这项新研究中，他们找出了使分子磁铁退相干的特殊来源，即原子核自旋扩散和光谱扩散，研究了怎样才能最优化分子结构以尽可能地延迟退相干。

他们改变了Cr7Ni分子结构中的两个关键部分：某个阳离子和配合基，并比较了它们之间的差异。他们还专门研究了，在低温条件下，这些不同结构的分子保持自旋状态的情况，测量了它们的退相干时间。最终造出了结构最优化的Cr7Ni工程分子磁铁，其保持记忆时段超过15微秒，这比操作单量子比特必要的时间高出好几个数量级，也大大超过了以往研究的记录。

研究人员表示，这一结果，会大大提高人们操控分子磁铁簇内部量子态的能力，他们还将对控制方法做进一步研究。

阿达万说：“按照理论设想，可以通过电场来操控分子磁铁的磁性，我们正在对此进行检验。同时，会检验多种可能性。我们的同事正在专门研究怎样通过化学工程方法，合并多个连接着的分子磁铁，并把它们合成更大的分子结构，而我们负责用这些分子开发出简单得多量子比特算法。”

（3）研制成稀土金属镝用量减半的新型电机磁铁。

2012年5月15日，《日本经济新闻》报道，日本信越化学工业公司一个研究小组，研发出稀土金属镝用量减半的新型高性能电机磁铁。

镝为银白色稀土金属，是空调和混合动力汽车电机，为了具有耐热性，而在磁铁中添加的主要材料。空调电机磁铁中镝的重量约占5%，在混合动力汽车电机磁铁中约占10%。以往通行的技术是把镝和铁、钕混合加热溶化后凝固成型，而新技术是在其他材料凝固后再把镝涂在磁铁的表面，大大减少镝的使用量。利用这项技术，空调电机磁铁的镝使用量可减半。

日立和东京电气化学工业公司等电机和电子元器件企业，也正在开发不使用稀土金属的高性能电机和磁铁，进展情况不一。但目前看来，日本信越化学工业公司减少稀土金属使用量的技术实用化更快，该公司已为此进行了十多亿日元的设备投资。

2．磁性粒子研制的新成果

首次利用激光合成磁性粒子。2012年3月，有关媒体报道，俄罗斯科学院乌拉尔分院电子物理研究所一个研究小组，首次利用激光合成氧化铁磁性纳米粒子。传统的氧化铁磁性纳米粒子制备方法，有干法和湿法两种。俄罗斯研究小组使用的激光合成法，是目前最先进的氧化铁磁性纳米粒子制备方法。

报道称，氧化铁磁性纳米粒子，可广泛应用于环境治理、生物陶瓷和定向给药等方面，具有非常良好的应用前景，但前提是必须找到有效的氧化铁磁性纳米粒子制备方法。

该研究小组利用激光，使普通商业非磁性氧化铁粉饼进行蒸发，接着使用干气体（试验中使用的是空气和氩气）冷凝蒸汽，再让冷凝后的蒸汽通过不同的滤芯。研究人员通过使用不同的气体和气压、调整流速等方法，获得了最佳的合成方式，使纳米粒子的产量大约增加一倍，激光能耗比原有制备方式降低85%。

四、磁性材料应用的新成果

1．电子信息领域应用磁性材料的新进展

（1）制造出超大容量信息存储磁性材料。

2005年10月27日，法国国家科研中心发布新闻公报说，法国巴黎第七大学与瑞士综合理工大学共同组成的一个研究小组，开发出一种名为“自动组合结构”的材料制造技术，进而制成新型超大容量的信息存储磁性材料。

研究人员在零下143℃的真空状态下，把钴原子凝聚在金晶体材料上。在这种材料表面的钴原子，根据专家事先安排好的一种结构来排列组合。数百个原子可以形成一个大接点，这些接点又相互组合，自动形成一个有序的结构体系。研究人员由此得到的纳米级磁性材料，其结构可以突破信息存储的不少极限，使硬盘的信息存储密度进一步加大。

据介绍，在目前的硬盘中，信息主要被存储在一个很薄的钴合金晶粒片上。1比特的信息需要占1000个晶粒。而该研究小组开发的新技术，使存储1比特信息仅占用1个晶粒，1平方厘米新材料的信息存储量，达到了4万亿比特。

目前，这种材料的缺点，是只有在零下230℃时，才有磁性记忆能力。高于这一温度，新材料的接点就会出现性能不稳定，导致信息丢失。下一步，研究人员将致力于加强新材料的稳定性。

据当地媒体报道，在微电子技术领域实现微小化、单位面积内存储能力最大化，是重要的研究方向。目前的成熟技术，很难满足市场对存储能力的要求。未来利用纳米技术，将能在上述两方面不断获得进展。

（2）开发出使数据处理更高效的材料磁性结构。

2012年2月，德国慕尼黑工业大学，与科隆大学物理学家组成的一个研究小组，在《自然·物理学》杂志上发表研究成果称，他们开发出一种移动和读取材料中的磁性结构，即漩涡数据位的电子方式，能使构建一个数据位所需的原子数量显著减少，令计算设备处理和存储数据的速率更高、体积更小，也更节能。

三年前，慕尼黑工业大学的研究人员，就在硅锰晶体内发现了全新的磁性结构，并就其漩涡结构的特性进行了研究。他们期望能出现与自旋电子学相关的结果，使纳米电子元件不仅可以利用电荷，也能利用电子自旋的磁性动力处理信息。目前的研究多聚焦于如何通过电流直接把磁性信息写入材料，但这一过程所需的强大电流，会产生无法克服的副作用，即使是在纳米结构内也一样。新磁性结构所需电流，可比现有技术弱10万倍，从而引起了科学界和工业界的极大兴趣。虽然磁性漩涡是在硅锰材料中发现的，但它不可能是唯一能产生磁性漩涡网格的材料。日本研究人员，已证明能生成单个的漩涡结构，其他德国研究小组也证明能在平面上生成磁性漩涡。他们能利用15个原子来构建一个数据位，而普通的电脑硬盘则需要约100万个原子才能构建一个磁位。但信息的写入、更新和读取仍是一个问题。

一般来说，在硬盘读出、写入磁头施加的电流可产生磁场，以便磁化硬盘上的点从而写入数据位。而这种磁性漩涡结构，能在施加极小电流的情况下被直接移动，这将使数据的存储和处理更加紧凑、高效和节能。研究小组使用中子辐射研究反应堆以研究材料。他们能够在实验室中生成晶体，利用中子测量磁性结构的力度和其他属性。借助中子辐射，研究人员可以证明，即使是最微小的电流，也足以移动磁性漩涡。当电子漩涡在一种材料中移动时，它们会产生电场，物理学家可以利用实验室内的电子设备，对其进行直接测量。

然而，研究人员表示，目前这种测量仍依赖于很低的温度。欧洲研究委员会，正在推进能在室温下利用磁性漩涡结构新材料的研发，但在首个基于此种技术的电子元件面世前，相关人员还需进行大量的后续研究。

（3）制造出性能独特的高灵敏磁性材料。

2014年3月，美国加州大学圣地亚哥分校，物理学家伊凡·舒尔领导的一个研究小组，在《应用物理学快报》杂志上发表研究成果称，他们发现一种依靠微小的温度变化，就能改变其磁性的高灵敏磁性材料，新材料或许能用来制造磁性储存器，提高计算机硬盘的存储性能。

目前，这种材料还没有名字，但舒尔表示：“磁性氧化物混合物”或许能恰如其分地表达出其独特的属性。据悉，新材料由薄薄一层镍和一层氧化钒组成，镍有磁性且对热很敏感，而氧化钒的属性，则会随温度发生改变。温度低时，氧化钒像绝缘体；温度高时像金属。舒尔表示：“把一层氧化物和一层磁性材料放在一起，我们能制造出拥有独特磁性的人工材料。”

舒尔解释道，任何磁性材料，都有两个非常重要的属性：磁化和矫顽力即指在磁性材料已磁化到磁饱和后，使其磁化强度减到零所需要的磁场强度，后者对温度的依赖很弱。比如，磁性冰箱贴的矫顽力非常大，因此，在室温下，其磁性能始终保持，为了减少其矫顽力使其不再具有磁性，必须将其加热到很高的温度；而为了让其再次拥有磁性，必须将其置于一个磁场中。但新材料的矫顽力，在10℃的变化范围内就能显著改变，因此，不需要将其加热到高温就可以让其再次拥有磁性。这项刚刚起步的研究有两个潜在的应用领域：存储器和变压器。未来的磁性存储系统，必须使用激光器加热，但使用新材料，或许只需将其加热20开尔文，就能让其矫顽力改变5倍。而且，这种材料，也许还能被用于电网中，由其制成的新型变压器，能像所谓的“电流故障限制器”一样，应付突然而至的电流尖脉冲。

更重要的是，除了使用温度，他们或许也能使用电压或电流来控制磁性材料的矫顽力。未参与该研究的西弗吉尼亚大学物理学家戴维·李德曼说：“仅仅通过电压施加电场来控制磁性，对于数据存储和磁性传感器来说，都至关重要。一般情况下，磁性由磁场来控制，但在小范围内施加磁场非常困难，而施加电场容易一点，反应也要快很多。因此，新材料能应用于多个领域，比如回转轮、手机、GPS接收器、罗盘等。”不过，李德曼也表示，迄今为止，还未曾有人演示过这种通过电控制磁性的方法，未来应该有人做到，这将“产生巨大的技术影响”。

2．医学领域应用磁性材料的新进展

（1）发明高稳定的新型磁纳米点。

2006年12月，英国谢菲尔德大学，史提夫·阿姆斯博士领导一个研究小组，在《朗缪尔》杂志的网络预印版上发表论文称，他们使用一种模拟细胞膜表层的聚合体被覆技术，制造出新型的高稳定的、无生物排斥的磁纳米点。这种新型的磁纳米点，能够提高核磁共振成像（MRI）的灵敏度。

研究小组首先把两种成分都存在于细胞膜中的聚合体合并起来。然后他们把这种聚合体加入到用来生产二氧化铁纳米点的标准化学反应物中。最终得到的纳米点的平均半径为34纳米，拥有直径约为9纳米的二氧化铁核心，其排部间距为6～14纳米。

与此对比，没有加入这种聚合体而得到的标准二氧化铁纳米点，平均半径为13纳米，排部间距为9～21纳米。加上聚合物被覆的纳米点的磁性能，与标准二氧化铁纳米点类似，但是要稳定得多，且不会被生物体所排斥。

对这种新的纳米点的性能研究表明，两种聚合体都是使纳米点稳定所必不可少的因素。研究人员在文章中注释说，他们已经发展出，能够在这些稳定化的纳米点表面连接目标药剂、甚至药物分子的方法。

（2）使用二氧化锰纳米点制成新型核磁共振造影剂。

2007年3月，韩国首尔大学教授玄泽焕和成均馆大学教授李贞姬共同负责的科研小组，在德国《应用化学》杂志上网络版发表论文称，他们使用二氧化锰纳米点，制造出一种新型核磁共振造影剂，使用这种造影剂对大鼠脑部解剖学结构进行核磁共振检测，形成的图像就像组织学检查一样清晰。

核磁共振成像技术，可以十分有效地显示出软组织的解剖学细节。造影剂能够使图像更清楚，从而实现生理活动的实时观察。但是，目前在核磁共振中使用的钆化合物造影剂，并不能有效地显示出解剖学结构。

研究人员发现，在注射二氧化锰纳米点后，对大鼠脑部不同区域所成的图像，具有非常好的分辨率。玄泽焕说，这是第一个真正对生物无排斥反应的，用于脑部解剖学成像的核磁共振造影剂。使用这种造影剂，能够对大鼠脑部的解剖学细节，进行高对比度的活体成像。

玄泽焕表示，这项技术可望用于发现早期脑癌细胞，以及确认被检测者是否已患上老年痴呆症、帕金森氏症、癫痫症等疾病。

此外，这个韩国科研小组，还能够把抗体黏附在二氧化锰纳米点上。这些抗体能够识别，并只绑定在乳腺癌细胞表面上的受体上。在具有乳腺癌转移瘤的大鼠脑内，肿瘤在使用连接上抗体的造影剂后，其图像被明显地突出了。根据同样的理论，使用别的合适抗体，还能够使其他疾病相关的变化或者生理学系统变得可视化。