在纳米领域中，磁性的功能是非常令人惊讶的。只有几个原子厚度的磁性2-D材料可以为更小的硅电子器件提供基板。近日，由基础科学研究所（IBS）的Park Je-Geun领导的国际研究团队在Nature上发表了一篇论文，介绍了的最新成果和未来潜力二维磁性材料van der Waals（vdW），该材料仅在六年前才被人们所知，并且在最近引起了全世界的关注。

VdW材料由成对的超薄层制成，这些超薄层通过弱范德华键结合。石墨烯-vdW材料的成功激发了研究人员探究其他二维晶体，这些二维晶体具有可以改变、添加或去除的层结构，以便引入新的物理特性，如磁性。

材料如何产生磁性？

材料中的每个电子都像一个微小的罗盘，拥有北极和南极。这些“罗盘针”的方向决定了磁化强度。具体地说，磁化源于电子的自旋（磁矩）并且取决于温度。铁磁体的磁性能低于磁转变温度-居里温度（Tc）。当所有磁矩对齐时，所有“罗盘针”指向同一方向。相比之下，其余材料是反铁磁性的，这意味着低于转变温度-Neel温度（TN），“罗盘针”指向相反的方向。对于高于Tc或TN的温度，各个原子力矩不对齐，材料磁性消失。

然而，材料尺寸达到2-D纳米尺度时，情况可能会发生巨大变化。磁铁的超薄切片可能会显示整个物体的不同特征。这是因为二维材料对温度波动更敏感，导致破坏良好对齐的“罗盘针”的阵列。例如，铁和镍等传统的块状磁铁，在2-D中的Tc比在3-D中低得多。在其他情况下，2-D中的磁性取决于厚度：三碘化铬（CrI3）单层结构具有铁磁性，双层是反铁磁性的，三层也是铁磁性的。然而，还有其他的例子，如三硫代磷酸铁（FePS3），可以始终保持其反铁磁有序，一直到单层。

获得二维磁性材料的关键是控制其自旋波动。具磁各向异性的二维材料更可能是磁性的。各向异性也可以通过缺陷、磁性掺杂或电子自旋和电子围绕原子核运动产生的磁场之间的相互作用来引入。然而，这些都是具有挑战性的技术方法。

Park通过一个类比解释到：“这就像监督一群调皮的孩子，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，就像幼儿园老师一样告诉你。你需要准确地知道每个人的动作。为了控制它们，你需要做出反应，这在技术上是非常困难的。”

然而，采用二维磁性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，可以找到一些尚未解决的数学物理模型的实验证据。这些模型解释了与自旋相关的磁转变行为。此外，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，在海森堡模型中，自旋可以指向x，y，z任意方向。

在2016年，Park教授领导的IBS研究人员首次实现了针对Ising模型的Onsager解决方案的实验证明。他们发现，在3-D和2-D中，FePS3的Tc为118开尔文（零下155摄氏度）。然而，二维的XY和海森堡模型却仍然缺乏证明。

Park 指出：“石墨烯的发现让我想知道是否可以将磁力引入类似于石墨烯的二维材料。物理学家致力于了研究和解释二维世界物理特性。尽管其具有学术重要性和适用性，但这个领域的研究还很少。”

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。薄的尺寸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来调整。

磁性vdW材料的预期应用

虽然，几个基本问题仍需解决，但通过控制和改变电子的自旋和磁结构预计会产生几个理想的输出。该论文列出了未来可能的研究方向。

其中，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，甚至能够成为量子计算的关键。特别是，自旋电子学旨在控制电子自旋。二维材料是很好的候选材料，因为与三维材料相比，它们的功耗更低。

此外，vdW材料可以揭示一些奇特的物质状态，如量子旋转液体，即使在极低的温度下也会出现无序“罗盘针”的物质假设状态，并且预计那些难以捉摸的已被理论化，但从未观察到粒子，如Majorana费米子。

此外，尽管超导性和磁性不能容易的在相同材料中的应用，但通过修补自旋顺序可以产生新的非常规超导体。

最后，尽管近年来对vdW材料的研究增长非常迅速，但到目前为止才发现不到10种磁性vdW材料。设计更多的材料，特别是可以在室温下使用的材料，也是凝聚态物理学家的重要目标。

材料科技在线