研究人員用金剛石量子傳感器定量測(cè)定了三碘化鉻單原子層的磁性能。

phys.org網(wǎng)站4月26日?qǐng)?bào)道，瑞士巴塞爾大學(xué)的物理學(xué)家們，首次成功地在納米尺度上測(cè)定了原子級(jí)范德瓦爾斯材料的磁性能：他們使用金剛石量子傳感器確定了三碘化鉻單原子層的磁化強(qiáng)度。此外，研究人員還破解了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于這種材料不同尋常的磁性能的謎題。《科學(xué)》雜志刊登了相關(guān)研究成果。

原子級(jí)的二維范德瓦爾斯材料的應(yīng)用有望為很多科技領(lǐng)域帶來(lái)創(chuàng)新。全球很多科學(xué)家都在不斷探索“堆疊”單原子層的新方法，從而設(shè)計(jì)出具有獨(dú)特性能的新材料。這類(lèi)超薄的復(fù)合材料是由范德華力結(jié)合在一起的，其性能通常與大塊晶體形式的同類(lèi)材料的性能有顯著不同。原子級(jí)范德瓦爾斯材料包括絕緣體、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體等。它們?cè)谧孕娮訉W(xué)和超緊湊磁記憶介質(zhì)中有廣闊的應(yīng)用前景。

此前，研究人員無(wú)法定量測(cè)定納米尺度上二維范德瓦爾斯磁體的強(qiáng)度、排列和結(jié)構(gòu)，這對(duì)這類(lèi)材料的研究造成了很大阻礙。巴塞爾大學(xué)物理系教授、瑞士納米科學(xué)研究所研究人員PatrickMaletinsky等證實(shí)，在原子力顯微鏡中使用基于單電子自旋的金剛石探針是定量研究二維范德瓦爾斯磁體的理想工具。他說(shuō)：“我們以鉆石顏色中心的單自旋作傳感器，開(kāi)辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域。”

Maletinsky等與日內(nèi)瓦大學(xué)的研究人員合作，確定了三碘化鉻單原子層的磁性能，并找到了關(guān)于這種材料磁性的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的答案。三碘化鉻是一種三維晶體，具有完全的磁性有序結(jié)構(gòu)。然而，在原子層數(shù)極少的情況下，只有奇數(shù)原子層疊加才會(huì)顯示出非零磁化。偶數(shù)層堆疊則顯示出反鐵磁性。導(dǎo)致“奇偶效應(yīng)”的原因和單原子層與宏觀材料的差異性對(duì)研究人員來(lái)講是一個(gè)巨大的謎。Maletinsky團(tuán)隊(duì)利用金剛石探針研究三碘化鉻后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致“奇偶效應(yīng)”等的原因是原子層中原子的特定排列方式。在樣品制備過(guò)程中，三碘化鉻單原子層之間會(huì)出現(xiàn)輕微地“滑動(dòng)”。晶格中產(chǎn)生應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致連續(xù)層的自旋不能沿相同方向排列。當(dāng)單原子層層數(shù)為偶數(shù)時(shí)，每組單原子層的磁化強(qiáng)度相互抵消，而單原子層層數(shù)為奇數(shù)時(shí)，整個(gè)單原子層堆疊體的磁化強(qiáng)度與單原子層磁化強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)。然而，當(dāng)堆疊體中的應(yīng)變被釋放出來(lái)時(shí)（例如探針刺過(guò)樣品），所有單原子層的自旋可以在同一方向上保持一致，這與宏觀晶體中觀測(cè)的情況相同。整個(gè)堆疊體的磁強(qiáng)度與各層磁強(qiáng)度總和一致。

Maletinsky等的發(fā)現(xiàn)不僅回答了二維范德瓦爾斯磁體的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，還對(duì)其在量子傳感器和電子元器件創(chuàng)新等方面的發(fā)展有較大的積極作用。