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中國科學技術大學在二維磁性材料研究領域中取得系列進展

近年來，二維（2D）材料因具有獨特的與自旋相關的物理性質（范德華材料的磁子激子耦合行為和金屬有機骨架材料中非常規磁現象等）而引起了物理學家和材料學家們的廣泛關注。尤其是具有磁性（鐵磁和反鐵磁）的二維材料更是下一代自旋電子器件的首選材料。然而，由于反鐵磁缺乏凈磁化強度以及外磁場響應能力，準確識別它們的磁結構、進而深入理解其反鐵磁衍生效應仍然是一個嚴酷挑戰，這極大地限制了二維反鐵磁的基礎研究和實際應用。而對于二維鐵磁材料而言，如何尋找到居里轉變溫度高于室溫的體系則成為人們的追求目標。則針對這些問題，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室的閆文盛教授課題組基于同步輻射技術開展了二維磁性材料設計調控、微觀結構和宏觀磁性三者之間內在聯系的研究，取得了系列研究成果。

1.探測范德華材料VPS3 中的Néel 型反鐵磁序和相干磁子-激子耦合行為

二維范德華(vdW)反鐵磁材料由于具有太赫茲共振、多維磁序態和超快自旋動力學等特征而受到廣泛關注，近年來在自旋-軌道糾纏激子態和電子自旋轉矩等領域的研究中取得了重要進展。為了探究二維反鐵磁材料的磁構型及其衍生效應，研究團隊利用非線性二次諧波（SHG）和拉曼（Raman）光譜技術研究了層狀反鐵磁單晶VPS3，揭示了具有面外各向異性的二維反鐵磁體VPS3中的Néel 型反鐵磁序，發現這種長程反鐵磁序在超薄極限下仍然存在（圖1）。隨后，團隊首次在單層WSe2/VPS3異質結中檢測到了Néel 型反鐵磁序誘導的強層間激子-磁子耦合(EMC)及其所產生的增強激子態。這一研究成果不僅在國際上首次用實驗方法證實了VPS3的精細磁結構，而且發現了基于此構型誘發的強激子-磁子耦合行為。這為二維反鐵磁材料的研究提供了新的光學途徑，并促進了它們在磁-光和光-自旋電子器件中的潛在應用。

圖1 (a) 溫度依賴的SHG 圖形 (b)提取的SHG 強度擬合 (c) 解理的VPS3 光學照片 (d-f) 不同厚度VPS3 樣品的SHG 圖形

圖2 (a) Cu-MOFs 的合成過程示意圖 (b) Cu-MOFs 的EXAFS 譜圖 (c) 300 K 的磁滯回線譜圖 (d) Cu 的磁圓二色信號圖

圖3 菱形晶格中的自旋液體行為

2.二維半導體金屬有機材料中本征的室溫鐵磁性

尋找和制備具有室溫鐵磁性的二維(2D)磁性半導體仍然是材料科學中的一個十分具有挑戰性的問題，并且在下一代自旋電子器件中發揮著至關重要的作用。課題組通過配體裁剪策略來調節Cu 二聚體的內部Cu 離子的距離，引入局部的晶格應力，可以賦予二維半導體反鐵磁材料Cu-MOF 固有的室溫鐵磁耦合特性。采用具有元素分辨性的X 射線磁圓二色性(XMCD)技術，為本征的鐵磁性提供了非常有力的證據。詳盡的結構表征證實，磁耦合的變化是由Cu 二聚體中Cu 原子之間的距離的增加從而導致d 電子的占據態的增加而引起的。理論計算表明，鐵磁耦合隨著Cu-Cu 距離的增加而增強，從而抑制了最近鄰Cu 原子的3d 軌道之間的雜化。該工作為設計和制造基于MOF 的半導體室溫鐵磁材料提供了有效的途徑，并促進了它們在下一代自旋電子器件中的實際應用。

3.菱形晶格的金屬有機骨架中經典自旋液體行為

幾何自旋阻挫系統因能使材料產生新奇物相以及獨特的物理現象而成為凝聚態物理中最具吸引力的前沿科學問題之一。課題組結合理論計算和實驗數據，在一個菱形晶格的Fe-MOF 材料中發現了經典的自旋液體行為。在Fe-MOF 中，具有高自旋態S=5/2 的Fe 離子形成一個二維菱形格子?；诘谝恍栽碛嬎?，證明了相鄰Fe3+離子間的反鐵磁交換相互作用。同時利用four-state 計算方法，得到相鄰的Fe3+離子之間的交換積分比值為0.72，表明了無序自旋態的潛力，為實現類自旋液體態提供了可能性。交直流磁化率測試結果表明直至400 mK 也不存在長程磁序，同時排除了自旋玻璃態的可能性。進一步通過零磁場的比熱測試得到與磁貢獻相關的一次項系數γ 項的存在，同時γ 值還呈現磁場獨立性。此外，隨著外加磁場的增加，比熱的峰值位置向更高的溫度移動；而極低溫至180 mK 的比熱測試也沒有發現明顯的異常峰，表明在整個測量溫度范圍內都不存在長程磁有序。這些特征為自旋液體行為提供了明確和實際的證據。