本报讯 相比于三维空间结构，二维层状磁性材料因其原子层间较弱的范德华尔斯作用力，能够人为操控其层间堆叠方式，进而有可能影响其磁耦合特性，为新型二维自旋器件的研制提供新思路。然而，堆叠方式与磁耦合间的关联机制此前并未在原子级层面获得实验的直接观测。针对该问题，物理学系教授高春雷、吴施伟团队协作，创造性地运用了原位化合物分子束外延生长技术和自旋极化扫描隧道显微镜结合的实验手段，在原子级层面彻底厘清了双层二维磁性半导体溴化铬（CrBr3）的层间堆叠和磁耦合间的关联，为二维磁性的调控指出了新维度。北京时间11月22日凌晨，相关研究成果以《范德华尔斯堆叠依赖的层间磁耦合的直接观测》（“Direct observation of van der Waals stacking dependent interlayer magnetism”）为题在线发表于《科学》（Science）主刊。
揭秘材料堆叠方式与磁耦合之间的直接关联性
二维磁性材料中的三卤化铬家族CrX3（X = Cl，Br，I）引起研究者特别关注。CrBr3和CrI3的体材料和单层薄膜都具有面外易轴的铁磁性，且两者体材料的晶体结构相似。然而，经由机械剥离而得的CrI3双层膜在多种测量方式下均表现出层间反铁磁耦合，而经由机械剥离而得的CrBr3双层膜却仍可保持层间铁磁耦合。
基于以上背景，团队在实验中发现CrBr3双层膜具有两种不同转动堆叠结构（H型和R型），分别对应迥异的结构对称性。这两种结构均在相应的体材料中从未被发现。其后，团队进一步在原子级分辨下获取了样品磁化方向的相对变化。至此，CrBr3堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的直接关联在原子级尺度被率先阐明。
自主研发实验设备实现精准测量调控
该项研究所用设备均为团队自主研发搭建。为获取符合要求的实验材料，团队引入化合物分子束外延生长技术，在真空环境中蒸发原材料并促其以薄膜形式逐层沉积至表面，实现原子级精准控制。考虑到生长所得的双层膜的尺寸在10 nm数量级，研究团队使用独特的自旋极化扫描隧道显微镜技术，准确表征了样品表面形貌、磁性等信息，达到结构和自旋的原子级分辨率。据了解，此技术壁垒高、难度大，高春雷团队在此深耕15年，终获突破。
高春雷和吴施伟为文章通讯作者，物理学系博士后陈维炯为第一作者，华盛顿大学西雅图分校许晓栋教授为合作者。研究得到自然科学基金委、国家重点研发计划和国家基础研究计划等支持。
