近年来，新兴的二维磁性材料备受关注。与传统的三维空间结构相比，二维层压磁性材料由于其原子层之间的范德瓦尔力较弱，可以人为地操纵其层间堆叠方式，这可能会影响其磁耦合特性，为新型二维自旋装置的发展提供新的思路。然而，堆叠模式与磁耦合之间的相关性机制尚不清楚，并且在原子水平上尚未获得直接的实验观察结果。
针对这一问题，复旦大学物理系高春磊教授和吴世伟教授携手合作，创造性地利用原位复合分子束延伸生长技术和结合自旋极化扫描隧道显微镜的实验方法，彻底阐明了二维磁性半导体溴化铬（CrBr3）在原子水平上的层间堆叠和磁耦合， 并指出了二维磁性调节的新维度。北京时间11月22日凌晨，研究结果在线发表在《科学》杂志主刊上，标题为"直接观测舟的层间磁性堆叠"，该模型依赖于范德沃尔特堆垛所依赖的层。
高春磊教授、吴世伟教授
实验突破：揭示材料堆叠与磁耦合之间的直接相关性
近年来二维磁性材料的发现为研究堆叠和磁性提供了一个平台，三卤化物铬族CrX3（X-Cl，Br，I）引起了研究人员的特别关注。研究表明，CrBr3和CrI3的本体材料以及单层薄膜具有外轴的铁磁性，两种材料的晶体结构相似。然而，通过机械剥离获得的CrI3和CrBr3双层膜表现出非常不同的磁耦合特性，前者在多种测量方法中表现出意想不到的层间反铁磁耦合，而机械剥离的CrBr3双层膜仍能保持层间铁磁耦合。这种异常现象是该领域的一大谜团，引起了广泛关注。它的内部物理机制是什么？是什么导致了层间磁耦合从铁磁性到反铁磁性的戏剧性转变？
基于上述科学问题，团队决定以CrBr3双层膜为主要研究对象，具有潜在的突破口。双层CrBr3较弱的范德华力提供了层间相对旋转和平移的"自由度"，从而使堆叠方法多样化成为可能。事实上，实验中获得的CrBr3双层膜具有两种不同的旋转堆叠结构（H型和R型），它们对应于非常不同的结构对称性。其中，在R型堆叠结构中，双层薄膜的上下层沿同一方向平行排列，并在晶体镜面方向上进行一定的平移，而在H型堆叠结构中，双层薄膜的上下层旋转180度，平行平行交错排列。这两种结构都是新的堆叠结构，从未在相应的车身材料中发现过。
利用自主研发的自旋偏振扫描隧道显微镜测量技术，研究小组进一步获得了样品在原子水平上磁方向的相对变化。在H堆垛CrBr3双层膜上，实验铁磁滞回流线呈方形，双层膜自发磁化方向朝同一方向排列，在外磁场的影响下，双层整体由上向下变化。结合显微镜磁探针本身的磁化方向，显示2个平台。在R堆叠的CrBr3双层薄膜上，测量了四个平台。该团队很快意识到，这种背线形状对应于层间的反铁磁耦合：当外部磁场小于±0.5T时，CrBr3双层薄膜层和层之间的磁化被反转，在两个不同层之间形成反铁磁结构，对应于低磁场下的两个平台。当外部磁场大于±0.5T时，crBr3双层膜的磁化方向在外部磁场的影响下被迫指向外部磁场，对应于两个平台在大磁场下。
到目前为止，该团队已经率先阐明了CrBr3堆叠结构与原子尺度上层间铁磁性和反铁磁性耦合之间的直接关联，为理解三卤化铬家族CrX3不同成员的非常不同的磁耦合提供了指导。根据这一特点，有望为新型二维自旋器件提供新的发展思路，应用前景广阔。更小的尺寸，更高效的磁性传感器，非易失性随机存储器，自旋电子设备或全部将成为现实。
技术前沿：自主研发实验设备，实现精确测控
科学突破是无法实现的，离不开实验技术不断克服困难。研究所使用的设备由团队自行研发，为实验的顺利进行奠定了坚实的基础。
为了获得所需的实验材料，该团队巧妙地引入了复合分子束延伸生长技术，在真空环境中蒸发原料，并促进它们以薄膜的形式逐层沉积到表面，以进行原子精度控制。
考虑到生长得到的双层膜的尺寸在数量级上为10nm，远远超过一般磁性测量方法的空间分辨率，研究团队采用了独特的自旋偏振扫描隧道显微镜技术，利用显微镜探针与样品距离极近产生的量子隧穿电流， 准确表征样品的表面形状、磁性等信息，直至结构和自旋的原子分辨率。这种技术壁垒高、难度大，成就非一日之功，高春磊团队已经在这个领域工作了15年，通过不断的积累和创新，终于实现了这一突破。
据悉，高春磊和吴世伟是文章的作者，复旦大学物理系博士后博士生，陈伟伟是第一作者，西雅图华盛顿大学徐晓东教授是合著者。研究工作由国家自然科学基金委、国家重点研发计划和国家基础研究计划支持。
H型和R型堆叠CrBr3双层膜自旋偏振扫描隧道显微镜测量
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作者：杨泽军 摄影：谢亚林 制图：赵一轩