作者:密歇根大学摩根·舍伯恩
将两个双层三碘化铬薄片层叠起来，并稍微扭转它们，抵消了材料中的铬原子，产生了更复杂的磁矩
学分:密歇根大学赵实验室 磁铁被用在我们日常生活中的许多物品上，包括手机、信用卡或酒店钥匙
他们甚至在你的真空中为引擎提供动力
由于大多数计算机使用磁铁来存储信息，找到越来越薄的磁铁是实现更快、更轻的电子产品的关键
石墨烯，一种一个原子厚的材料，于2004年被发现，并获得了2010年诺贝尔物理学奖
虽然石墨烯本身不是磁性的，但它引发了人们对寻找原子级薄磁体的兴趣
2017年，科学家发现了一种超薄的磁性材料，只有三个原子或一个原子单位厚
但是这种被称为三碘化铬的材料有一个简单的磁矩排列——材料中的电子自旋都在同一个方向排列，或者向上或者向下——这意味着它不能存储大量的信息
现在，密歇根大学物理学家·赵和她的团队已经开发出一种方法，在三氯化铬中创建更复杂的磁矩排列，使这种原子级薄的材料能够存储更多的信息，或许还能更快地处理信息
他们的结果发表在《自然物理学》上
“随着时间的推移，人们开始寻找更小尺寸和更复杂形式的磁铁，以使我们的计算机和电子产品更小、更薄、更快
要做到这一点，存储数据或进行信息处理的材料也需要变得越来越小，而它们的磁性形式应该越来越具有异国情调，”赵说
“在非常大、体积庞大的材料中，人们发现了各种被称为自旋结构的磁性形式
所以在这种超薄材料中，我们问:我们能不能也创造出那些复杂的自旋纹理，这样我们就能存储更多的信息？" 为了做到这一点，赵和她的团队通过将微米大小(百万分之一米)的三碘化铬薄片撕成两半来制作人造样品
三碘化铬薄片是双层的，这意味着这种材料有两个原子单位或六个原子厚
然后，他们将一片放在另一片上面，并稍微旋转
每个薄片由晶格结构组成，当一个结构覆盖在另一个结构上并少量旋转时，晶体结构相互干涉并形成具有较长波长的周期性结构
这也在两个薄片之间产生了角度失配，并导致具有更长周期的超晶格，称为莫尔超晶格
想到一波水
一个波的波纹等于一个周期
但是在这个波浪中，水实际上并没有前进
相反，水分子在一个位置上升和下降
当更多的能量加到波浪上时，波峰会更高
类似地，当晶体结构层层叠叠时，它们的波周期加倍
然后，由于两层之间的小旋转，材料顶层的原子在旋转中心附近稍微偏离材料下层的原子
这进一步导致偏移原子在双层材料中的级联效应，其以莫尔波长在整个堆叠层中重复
赵说，这导致了结构内两个极端的偏移
当一层中的铬原子排列在另一层铬原子的正中心时，它们的自旋就像在同一个方向
当它们偏离最近的相邻铬原子之间距离的三分之一时，它们的自旋偏向相反的方向
然后在这两个区域之间，他们的旋转变得沮丧，不知道该遵循这两种方式中的哪一种，并且可以开发新的安排
例如，它们然后会变成螺旋状
同一材料中不同种类的自旋方向创造了更多存储信息的机会
为了处理这种薄得不可思议的精密材料，该小组在光学显微镜下使用了一套自动化显微操作器，这些显微操作器装在一个装有超高纯度氮气的盒子里，氮气是惰性的，不会与研究人员研究的材料发生相互作用
研究人员使用一种常见的家用主食——胶带——剥离一层2D材料，并将其压印在二氧化硅基底上，这项技术是由2010年诺贝尔物理学奖得主开发的
研究人员利用光学显微镜观察这一过程，控制一组机械臂抬起一层材料，轻轻扭转，然后放回另一层材料上
“我们工作的重要性在于证明，在这些非常薄的磁体中，我们可以通过这种扭曲来设计自旋结构，从而引入莫尔超晶格
不同的自旋排列可以赋予我们研究的磁性材料截然不同的物理性质，”赵说
“与许多三维大体积材料相比，原子排列是由生长过程中的化学物质决定的:你不能改变或操纵那么多
但是在这里，通过改变两层之间的扭转角来改变原子之间的相对距离，我们可以自由地设计和控制2D莫尔超晶格的磁性
"
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