二维磁性范德华材料惊人特性和巨大潜力概述

在纳米世界中，磁性被证明是非常令人惊讶的。只有几个原子厚的磁性2D材料可以帮助满足科学家的好奇心，实现他们对更小的后硅电子设备的梦想。基础科学研究所(IBS)相关电子系统中心的PARK Je-Geun领导的一个国际研究小组刚刚在《自然》杂志上发表了一篇透视论文。介绍了2D磁性范德瓦尔斯(vdW)材料的最新成就和未来潜力。这些材料直到6年前才为人所知，最近引起了全世界的关注。

VdW材料由成对的超薄层组成，它们通过弱范德华键结合在一起。石墨烯(vdW)作为明星材料的成功刺激了科学家们寻找其他二维晶体，其中的层可以被改变、添加或删除，以引入新的物理属性，如磁性。

一种材料是如何变得有磁性的？

你可以想象一下，材料中的每个电子就像一个有自己的北极和南极的小指南针。这些罗盘指针的方向决定了磁化强度。更具体地说，磁化源于电子的自旋(磁矩),并取决于温度。铁磁体，如标准冰箱磁铁，在磁转变温度(Tc，居里温度)以下获得磁性，当所有磁矩对齐时，所有“指南针”都指向同一方向。相反，其他材料是反铁磁性的，意味着它们低于转变温度(称为Neel温度，在这种情况下为TN)，“指南针”指向相反的方向。对于高于Tc或TN的温度，单个原子的磁矩是不对齐的，

然而，当这种材料被缩小到2D纳米尺度时，这种情况就会发生显著的变化。冰箱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，这将破坏排列良好的“指南针”图案。例如，铁和镍等传统块状磁体在2D的Tc比在3D中低得多。在其他情况下，2D的磁性实际上取决于厚度：三碘化铬(CrI3)充当单层铁磁性、双层反铁磁性和三层反铁磁性。然而，还有其他的例子，例如三磷酸铁(FePS3)，它可以显著地保持其反铁磁有序直到一个单层。

制造2D磁性材料的关键是抑制它们的自旋波动。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弄电子自旋产生的磁场和电子围绕原子核的运动之间的相互作用来人为引入。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：“这就像监管一群不安分、行为不端的孩子。每个孩子代表一个原子罗盘。你想排队，他们却更喜欢玩。这是一项艰巨的任务，就像任何幼儿园一样，老师会告诉你。你需要确切地知道每个人在时间和空间里做什么。为了控制它们，你需要在那里做出反应。然后，技术上很难。”

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材料是一个测试平台，找到一些未解决的数学和物理模型的实验证据。这些模型解释了自旋相关的磁转变行为。特别地，伊辛模型描述了旋转(“罗盘指针”)被约束为垂直于平面指向上或下。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和z方向。

2016年，朴教授的IBS科学家发现了伊辛模型翁萨格解的第一个实验证明。他们发现在3D和2D中，FePS3的Tc是118开尔文，或零下155摄氏度。然而，2D的XY和海森堡模型遇到了更多的实验障碍，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石墨烯的2D材料中，”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。尽管它具有学术重要性和适用性，但这一领域还远未被充分探索，”他补充道。

科学家们也热衷于探索用电学、光学和机械方法来控制和操纵这些材料的磁性。他们的瘦弱使他们更容易受到外界刺激。这是一个局限，但也可能是一个潜力。例如，磁性也可以通过应变或以特定模式(称为莫尔模式)排列重叠层来诱导或调节。

磁性vdW材料的预期应用是什么？

虽然几个基本问题还在等待答案。控制和改变电子的自旋和磁结构有望产生几种理想的输出。这篇自然视角综述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。可控旋转可以取代现在的硬盘，甚至成为量子计算的关键。特别是，自旋电子学是一门旨在控制电子自旋的学科。2D材料是很好的候选材料，因为它们比3D材料需要更少的能量消耗。一个有趣的假设是，长期记忆以稳定的螺旋取向磁极模式存储在磁性材料中，称为skyrmions。

有可能，vdW材料可以揭示一些奇怪的物质状态，例如量子自旋液体：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“指南针”，预计其中包含难以捉摸的Majorana费米子，这些费米子已经被理论化，但从未见过。

此外，虽然超导性和磁性不能轻易用在同一种材料中，但修复自旋序可以产生新的非常规超导体。

最后，虽然vdW材料清单在过去几年发展迅速，但迄今为止

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