二維磁體的磁性能首次在納米尺度被成功測量

研究人員用金剛石量子傳感器定量測定了三碘化鉻單原子層的磁性能。

phys.org網站4月26日報道，瑞士巴塞爾大學的物理學家們，首次成功地在納米尺度上測定了原子級范德瓦爾斯材料的磁性能：他們使用金剛石量子傳感器確定了三碘化鉻單原子層的磁化強度。此外，研究人員還破解了長期以來關于這種材料不同尋常的磁性能的謎題。《科學》雜志刊登了相關研究成果。

原子級的二維范德瓦爾斯材料的應用有望為很多科技領域帶來創新。全球很多科學家都在不斷探索“堆疊”單原子層的新方法，從而設計出具有獨特性能的新材料。這類超薄的復合材料是由范德華力結合在一起的，其性能通常與大塊晶體形式的同類材料的性能有顯著不同。原子級范德瓦爾斯材料包括絕緣體、半導體和超導體等。它們在自旋電子學和超緊湊磁記憶介質中有廣闊的應用前景。

此前，研究人員無法定量測定納米尺度上二維范德瓦爾斯磁體的強度、排列和結構，這對這類材料的研究造成了很大阻礙。巴塞爾大學物理系教授、瑞士納米科學研究所研究人員PatrickMaletinsky等證實，在原子力顯微鏡中使用基于單電子自旋的金剛石探針是定量研究二維范德瓦爾斯磁體的理想工具。他說：“我們以鉆石顏色中心的單自旋作傳感器，開辟了一個全新的領域。”

Maletinsky等與日內瓦大學的研究人員合作，確定了三碘化鉻單原子層的磁性能，并找到了關于這種材料磁性的一個關鍵科學問題的答案。三碘化鉻是一種三維晶體，具有完全的磁性有序結構。然而，在原子層數極少的情況下，只有奇數原子層疊加才會顯示出非零磁化。偶數層堆疊則顯示出反鐵磁性。導致“奇偶效應”的原因和單原子層與宏觀材料的差異性對研究人員來講是一個巨大的謎。Maletinsky團隊利用金剛石探針研究三碘化鉻后發現，導致“奇偶效應”等的原因是原子層中原子的特定排列方式。在樣品制備過程中，三碘化鉻單原子層之間會出現輕微地“滑動”。晶格中產生應變會導致連續層的自旋不能沿相同方向排列。當單原子層層數為偶數時，每組單原子層的磁化強度相互抵消，而單原子層層數為奇數時，整個單原子層堆疊體的磁化強度與單原子層磁化強度相關聯。然而，當堆疊體中的應變被釋放出來時（例如探針刺過樣品），所有單原子層的自旋可以在同一方向上保持一致，這與宏觀晶體中觀測的情況相同。整個堆疊體的磁強度與各層磁強度總和一致。

Maletinsky等的發現不僅回答了二維范德瓦爾斯磁體的關鍵科學問題，還對其在量子傳感器和電子元器件創新等方面的發展有較大的積極作用。