二维磁体的磁性能首次在纳米尺度被成功测量

研究人员用金刚石量子传感器定量测定了三碘化铬单原子层的磁性能。

phys.org网站4月26日报道，瑞士巴塞尔大学的物理学家们，首次成功地在纳米尺度上测定了原子级范德瓦尔斯材料的磁性能：他们使用金刚石量子传感器确定了三碘化铬单原子层的磁化强度。此外，研究人员还破解了长期以来关于这种材料不同寻常的磁性能的谜题。《科学》杂志刊登了相关研究成果。

原子级的二维范德瓦尔斯材料的应用有望为很多科技领域带来创新。全球很多科学家都在不断探索“堆叠”单原子层的新方法，从而设计出具有独特性能的新材料。这类超薄的复合材料是由范德华力结合在一起的，其性能通常与大块晶体形式的同类材料的性能有显著不同。原子级范德瓦尔斯材料包括绝缘体、半导体和超导体等。它们在自旋电子学和超紧凑磁记忆介质中有广阔的应用前景。

此前，研究人员无法定量测定纳米尺度上二维范德瓦尔斯磁体的强度、排列和结构，这对这类材料的研究造成了很大阻碍。巴塞尔大学物理系教授、瑞士纳米科学研究所研究人员PatrickMaletinsky等证实，在原子力显微镜中使用基于单电子自旋的金刚石探针是定量研究二维范德瓦尔斯磁体的理想工具。他说：“我们以钻石颜色中心的单自旋作传感器，开辟了一个全新的领域。”

Maletinsky等与日内瓦大学的研究人员合作，确定了三碘化铬单原子层的磁性能，并找到了关于这种材料磁性的一个关键科学问题的答案。三碘化铬是一种三维晶体，具有完全的磁性有序结构。然而，在原子层数极少的情况下，只有奇数原子层叠加才会显示出非零磁化。偶数层堆叠则显示出反铁磁性。导致“奇偶效应”的原因和单原子层与宏观材料的差异性对研究人员来讲是一个巨大的谜。Maletinsky团队利用金刚石探针研究三碘化铬后发现，导致“奇偶效应”等的原因是原子层中原子的特定排列方式。在样品制备过程中，三碘化铬单原子层之间会出现轻微地“滑动”。晶格中产生应变会导致连续层的自旋不能沿相同方向排列。当单原子层层数为偶数时，每组单原子层的磁化强度相互抵消，而单原子层层数为奇数时，整个单原子层堆叠体的磁化强度与单原子层磁化强度相关联。然而，当堆叠体中的应变被释放出来时（例如探针刺过样品），所有单原子层的自旋可以在同一方向上保持一致，这与宏观晶体中观测的情况相同。整个堆叠体的磁强度与各层磁强度总和一致。

Maletinsky等的发现不仅回答了二维范德瓦尔斯磁体的关键科学问题，还对其在量子传感器和电子元器件创新等方面的发展有较大的积极作用。