在二维层状材料中实现磁性是研究人员的重要目标,因为二维磁性材料既是构造自旋电子学器件的基础,又是研究新奇物理现象的平台。通常,人们通过掺杂磁性原子或利用界面近邻效应在非磁性材料中引入磁性,但是这些非本征的磁性易受到载流子浓度、杂质类型、界面原子结构等因素的影响。因此,人们希望实现具有本征磁性的二维层状材料。先前人们根据Mermin–Wagner定理,各向同性的单原子层二维材料由于长程热涨落并不能表现出宏观磁性,本征二维磁性材料被认为不能存在。最近的实验工作发现,范德瓦尔斯结合的层状材料CrI3和Cr2Ge2Te6具有低维长程磁序[Nature 546, 270 (2017), Nature 546, 265 (2017)],这些工作开创了本征二维磁性材料研究的新时代。目前已知的二维本征磁性材料很少,其较低的居里温度(<50 K)很难满足电子学器件的实用要求。比如量子反常霍尔效应只在极低温下的复杂磁性体系中实现,将这类拓扑态应用到实际体系的途径之一就是寻找新型二维磁性材料。而且,新材料体系的发现将可能揭示出新的拓扑电子态。
图1. 高通量筛选磁性二维材料流程。 图2. 89种磁性单层材料及其居里温度。 图 3. 铁磁性的单层RuCl3具有本征的谷极化量子反常霍尔态。 图 4. 铁磁性的单层ScCl中存在第二类外尔节点环费米子。 该研究工作得到科技部(项目批准号2016YFA0202300, 2016YFA0300902, 2015CB921001, 和2013CBA01600)、国家自然科学基金委(项目批准号11774396和61306114)和中国科学院(项目批准号XDB30000000和XDB07030100)的资助。 |
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