自2004年石墨烯被發現以來，二維材料的數量呈爆炸式增長。然而，在這個由單原子厚度的半導體、絕緣體和超導體組成的奇特組合中，一直缺少一個成員——磁體。事實上，物理學家們甚至不確定二維磁體是否可能存在，直到現在。
研究人員在6月7日發表在《自然》雜誌上的一篇論文中報告了首個真正的二維磁體，它由一種名為三碘化鉻的化合物製成。這項發現最終可能促成新型資料儲存裝置和量子計算機的設計。目前，二維磁體將使物理學家能夠進行以前不可能進行的實驗，並檢驗磁性的基本理論。
巴勃羅·哈里羅-埃雷羅，麻省理工學院劍橋分校的凝聚態物理學家，以及徐曉東，華盛頓大學西雅圖分校的光電子學研究員，在2016年相遇之前分別在尋找二維磁體。他們決定聯手進行研究。“這是一個原則問題——缺少了一個重要的東西，”哈里羅-埃雷羅說。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
磁性特性
徐和哈里羅-埃雷羅使用三碘化鉻是因為它是一種由堆疊的薄片組成的晶體，可以使用“透明膠帶法”分離：這是一種透過使用膠帶剝離越來越薄的層來製造二維材料的方法。科學家們也被該化合物的磁性所吸引。
像冰箱磁鐵一樣，三碘化鉻是一種鐵磁體，一種由於其電子自旋排列而產生永久磁場的材料。三碘化鉻也是各向異性的，這意味著它的電子具有首選的自旋方向——在本例中，垂直於晶體的平面。這些基本性質使徐和哈里羅-埃雷羅懷疑，當三碘化鉻被剝離到單原子層時，它會保留其磁性特性。這是其他二維材料無法做到的。
哈里羅-埃雷羅的小組培養了三碘化鉻晶體，並剝離了單層和多層薄片，而徐的實驗室則使用靈敏的磁力計研究了這些樣品。
研究小組發現，不僅單原子層三碘化鉻是磁性的，而且這種特性出現在被認為是相對溫暖的溫度下：約–228°C。他們還發現，兩層這種材料的薄片不是磁性的，但是當新增第三層時，該物質再次變成鐵磁體。如果新增第四層，該材料仍然是磁性的，但會獲得研究人員表示仍在研究的其他特性。
磁體的奧秘
哈里羅-埃雷羅和徐並不是唯一研究二維磁體的人。在四月下旬，另一組研究人員發表了他們對由鉻、鍺和碲製成的超薄晶體磁性的觀察結果。真正的二維磁體在單原子層也會保持其磁性，但這種超薄晶體僅在多層時才具有磁性。
然而，賓夕法尼亞州立大學大學園分校的凝聚態物理學家尼廷·薩馬斯表示，這兩個結果都很重要，他沒有參與這項工作。薩馬斯為最近的研究撰寫了一篇評論。在這些發現之前，“我們從未有一種通用方法來製造真正的二維磁性材料，”他說。自 1970 年代以來，研究人員一直試圖製造和研究超薄磁體，但所有由此產生的材料都包含孔洞和凸起，並非真正的二維材料。
物理學家希望找到一種在室溫下工作且無需防止氧化的二維磁體，以便最終可能將其用於消費電子產品。目前，哈里羅-埃雷羅和徐正在三碘化鉻的化學家族中尋找其他二維磁體，並進一步探索他們已經創造出的磁體。
哈里羅-埃雷羅希望將二維磁體與二維超導體分層，看看會發生什麼。在磁體中，電子自旋都是對齊的；在半導體中，它們以相反的對排列。“超導體會破壞鐵磁體，還是鐵磁體會破壞超導體？”他想知道。“以前根本不可能做這個實驗。”
薩馬斯說，現在判斷這裡在物理學方面是否有根本性的新東西還為時過早。但是，既然物理學家可以嘗試使用二維磁體進行實驗，他們就很興奮地想找出答案。
本文經許可轉載，於2017年6月7日首次發表。