作者丹尼斯·派斯特，麻省理工学院 麻省理工学院物理学研究生达丽亚·克莱因(左)和博士后大卫·麦克尼尔表明，在氯化铬和碘化铬等二维磁体中，磁序和堆积序联系非常紧密，这给工程师们提供了一种改变材料磁性的工具
学分:丹尼斯·派斯特/材料研究实验室 麻省理工学院物理系教授巴勃罗·贾里罗-赫雷罗领导的研究人员去年表明，以特定的“神奇角度”旋转六边形结构的石墨烯层可以将材料的电子特性从绝缘状态改变为超导状态
现在，同一组的研究人员和他们的合作者已经证明，在另一种同样具有蜂窝状原子结构的超薄材料——三氯化铬(crcl 3)——中，他们可以通过改变层的堆叠顺序来改变材料的磁性
研究人员用胶带剥离二维三氯化铬层，就像研究人员从石墨上剥离石墨烯一样
然后，他们利用电子隧穿研究了二维三氯化铬的磁性
他们发现二维和三维晶体中的磁性是不同的，这是由于相邻层中原子之间不同的堆叠排列
在高温下，三氯化铬中的每个铬原子都有一个磁矩，它像一个微小的指南针一样波动
实验表明，当温度下降到14开尔文(-434
47华氏度)，在低温范围的深处，这些磁矩冻结成有序的图案，在交替层中指向相反的方向(反铁磁)
所有三氯化铬层的磁方向可以通过施加磁场来对准
但是研究人员发现，在二维形式中，这种排列需要比三维晶体强10倍的磁力
该结果最近发表在《自然物理学》在线版上
麻省理工学院物理学研究生达丽亚·R说:“我们看到的是，与我们在磁场中使用电子隧道测量的体积相比，在薄极限内排列层要困难10倍。”
克莱因，美国国家科学基金会研究生研究员，该论文的主要作者之一
物理学家将排列相对层的磁方向所需的能量称为层间交换相互作用
“另一种想法是层间交换的相互作用是相邻的层有多想要反排列，”麻省理工学院博士后大卫·麦克尼尔建议道
研究人员将这种能量变化归因于二维氯化铬中原子的物理排列略有不同
“铬原子在每一层都形成一个蜂窝结构，所以它基本上是以不同的方式堆积蜂窝，”克莱恩说
“重要的是，我们正在证明磁性和堆积顺序在这些材料中有着非常紧密的联系
" “我们的工作突出了二维磁体的磁性能与三维磁体的磁性能有很大的不同，”资深作者巴勃罗·贾里罗-赫雷罗说，他是塞西尔和艾达·格林物理学教授
“这意味着我们现在有了新一代高度可调的磁性材料，这对新的基础物理实验以及自旋电子学和量子信息技术的潜在应用都具有重要意义
" 在这些被称为范德瓦尔斯磁体的材料中，层与层之间的耦合非常弱，这使得用胶带从三维晶体中移除层变得容易
“就像石墨烯一样，层内的结合非常强，但是相邻层之间的相互作用非常弱，所以你可以用胶带隔离几层样品，”克莱恩说
三氯化铬的块状单晶，一种层状二维范德瓦尔斯反铁磁体
信用:大卫·麦克尼尔 麦克尼尔和克莱恩制作了氯化铬样品，建造并测试了纳米电子设备，并分析了他们的结果
研究人员还发现，当三氯化铬从室温冷却到低温时，这种材料的三维晶体会发生二维晶体不会发生的结构转变
这种结构差异解释了二维晶体中排列磁性所需的更高能量
研究人员通过使用拉曼光谱测量了二维层的堆叠顺序，并开发了一个数学模型来解释改变磁方向所涉及的能量
合著者兼哈佛大学博士后丹尼尔·T
拉森说，他分析了拉曼数据图，该图显示了三氯化铬样品旋转时峰值位置的变化，确定这种变化是由层的堆积模式引起的
拉森解释说:“利用这种联系，达丽亚和大卫已经能够使用拉曼光谱来了解他们的设备的晶体结构的细节，否则很难测量。”
“我认为这项技术将是研究超薄结构和器件的工具箱中非常有用的补充
材料科学与工程系研究生宋倩在麻省理工学院物理学助理教授里卡多·科姆的实验室里进行了拉曼光谱实验
两人都是这篇论文的合著者
克莱恩说:“这项研究确实强调了堆积顺序对于理解这些范德瓦尔斯磁体在稀薄极限中的行为的重要性。”
麦克尼尔补充道，“为什么二维晶体具有不同的磁性这个问题困扰了我们很长时间
我们非常兴奋终于明白为什么会发生这种情况，这是因为结构转型
" 这项工作建立在两年前对二维磁体的研究基础上，在这项研究中，贾里洛-赫雷罗的团队与瓦辛顿大学的研究人员进行了合作，该研究人员由徐晓东教授领导，他在材料科学与工程、物理、电气与计算机工程等部门担任联合职务
他们的工作发表在2017年6月的《自然》杂志上，首次展示了一种具有相似晶体结构的不同材料——三碘化铬(CRi3)——在二维形式下的表现也不同于在整体形式下的表现，与铁磁三维晶体不同，几层样品显示出反铁磁性
贾里洛-赫雷罗的团队在2018年5月的一篇科学论文中继续展示了三碘化铬在低温下对外加磁场的反应中电阻的急剧变化
这项工作表明电子隧穿是研究二维晶体磁性的有用探针
克莱恩和麦克尼尔也是这篇论文的第一作者
华盛顿大学教授徐晓东谈到最新发现时说:“这项工作提出了一个非常聪明的方法，即将隧道测量和偏振分辨拉曼光谱结合起来
前者对层间反铁磁敏感，而后者是晶体对称性的敏感探针
这种方法提供了一种新的方法，允许社区中的其他人发现层状磁体的磁性
" “这部作品和其他几部最近出版的作品是一致的，”徐说
“总之，这些工作揭示了层状范德瓦尔斯磁体提供的独特机会，即通过控制堆叠顺序来设计磁性顺序
它可用于任意创建新的磁性状态，以及在可重构磁性器件中的潜在应用
"
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