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只有几个原子厚度的磁性2D材料可以帮助满足科学家们的好奇心



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在纳米世界,磁性已被证明是非常令人惊讶的。只有几个原子厚度的磁性2D材料可以帮助满足科学家们的好奇心,并为更小的后硅电子设备实现梦想。由基础科学研究所(IBS)内的相关电子系统中心的PARK
Je-Geun领导的国际研究小组刚刚在Nature发表了一篇Perspective
Perspective论文。它介绍了2D磁性范德华(vdW)材料的最新成果和未来潜力,这些材料直到6年前才被人们所了解,并且最近引起了全世界的关注。

VdW材料由成对的超薄层制成,这些超薄层由弱范德华键结合在一起。石墨烯(vdW)的恒星材料的成功刺激了科学家寻找其他二维晶体,​​其中可以改变,添加或去除层以引入新的物理特性,如磁性。

材料如何变成磁性?

你可以想象一种材料中的每个电子都像一个微小的罗盘,有自己的北极和南极。这些罗盘针的方向决定了磁化强度。更具体地,磁化源于电子的自旋(磁矩)并且取决于温度。铁磁体,如标准冰箱磁铁,在磁转换温度(Tc,居里温度)以下获得其磁性,当所有磁矩对齐时,所有罗盘针指向同一方向。相反,其他材料是反铁磁性的,意味着低于转变温度(在这种情况下称为Neel温度,TN),罗盘针指向相反的方向。对于高于Tc或TN的温度,单个原子矩不对齐,

然而,在将材料减少到2D纳米尺度时,情况可以显着改变。冰箱磁铁的超薄切片可能会显示整个物体的不同特征。这是因为2D材料对温度波动更敏感,这会破坏良好对齐的罗盘针的图案。例如,传统的块状磁铁,例如铁和镍,在2D中具有比在3D中低得多的Tc。在其他情况下,2D中的磁性实际上取决于厚度:三碘化铬(CrI3)作为单层铁磁性,双层反铁磁性,并且作为三层回铁磁性。然而,还有其他的例子,如三硫代磷酸铁(FePS3),它可以显着地保持其反铁磁有序,一直到单层。

制作2D磁性材料的关键是驯服它们的自旋波动。具有优选旋转方向(磁各向异性)的2D材料更可能是磁性的。各向异性也可以通过添加缺陷,磁性掺杂剂或通过玩电子自旋和电子在原子核周围运动产生的磁场之间的相互作用来人工引入。然而,这些都是技术上具有挑战性的方法。

帕克用一个类比来解释:这就像监督一群不安分和行为不端的孩子,每个孩子代表一个原子指南针。你想要排队,但他们宁愿玩。这是一项艰巨的任务,就像任何幼儿园一样老师会告诉你。你需要准确地知道每个人在时间和空间上的动作。为了控制它们,你需要在那里做出反应然后,这在技术上非常困难。

为什么物理学家对2D磁性vdW材料如此感兴趣?

2D磁性vdW材料可以解决几个基本问​​题。特别是,vdW材料是找到一些尚未解决的数学物理模型的实验证据的试验平台。这些模型解释了与自旋相关的磁转变行为。特别是,Ising模型描述了旋转(罗盘针)被约束为垂直于平面向上或向下指向。XY模型允许自旋指向平面上的任何方向,最后,在海森堡模型中,自旋可以指向任何x,y,z方向。

2016年,Park教授的IBS科学家们发现了针对Ising模型的Onsager解决方案的第一个实验证明。他们发现,在3D和2D中,FePS3的Tc为118开尔文,或零下155摄氏度。然而,2D中的XY和海森堡模型遇到了更多的实验障碍,并且在50年后仍然缺乏证明。

我对2D磁性材料的兴趣始于一个简单的想法:如果……?石墨烯的发现让我想知道我是否可以将磁性引入类似于石墨烯的2D材料,Park解释道。物理学家继承了研究和解释二维世界物理特性的挑战。尽管其具有学术重要性和适用性,但这个领域还远未得到充分发掘,他补充道。

科学家们也热衷于探索以电,光学和机械方式控制和操纵这些材料的磁性的方法。它们的薄度使它们更容易受到外部刺激的影响。这是一个限制,但也可能是一个潜力。例如,磁性也可以通过应变或通过将重叠层布置成特定图案(称为莫尔图案)来诱导或调整。

哪些是磁性vdW材料的预期应用?

虽然有几个基本问​​题仍在等待答案。控制和修改电子的自旋和磁结构有望产生几种理想的输出。本自然视角评论列出了未来可能的热门研究方向。

最受欢迎的应用之一是使用旋转来存储和编码信息。受控制的旋转可以取代目前的硬盘盘片,甚至成为量子计算的关键。特别是,自旋电子学是旨在控制电子自旋的主题。2D材料是很好的候选材料,因为与3D对应材料相比,它们需要更少的功耗。一个有趣的假设是将长期记忆存储在磁性材料中稳定的螺旋定向磁极模式中,称为skyrmions。

可能,vdW材料可以揭示一些奇异的物质状态,如量子自旋液体:一种假设的物质状态,即使在极低的温度下也会出现无序的罗盘针,并且预计会包含难以捉摸的Majorana费米子,这些粒子已被理论化,但从未见过。

此外,尽管超导性和磁性不能容易地用于相同的材料,但修补自旋订单可以产生新的非常规超导体。

最后,尽管vdW材料清单在过去几年中发展迅速,但到目前为止已发现不到10种磁性vdW材料,因此设计更多材料,特别是可在室温下使用的材料,也是一个重要目标。凝聚态物理学家。

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