使用金刚石量子传感器对二维磁体的前所未有的洞察力 _生活百科

文章插图
巴塞尔大学的物理学家第一次成功地测量了纳米尺度上原子级薄的范德华材料的磁性。他们使用金刚石量子传感器来确定材料三碘化铬的单个原子层的磁化强度。此外，他们还发现了一种长期以来对材料不寻常磁性的解释。“ 科学 ”杂志发表了这些研究结果。
使用原子级薄的二维范德瓦尔斯材料有望在科学和技术的众多领域中实现创新。世界各地的科学家们不断探索堆叠不同单原子层的新方法，从而设计出具有独特新兴特性的新材料。
这些超薄复合材料通过范德华力保持在一起，并且通常与相同材料的块状晶体表现不同。原子级薄的范德瓦尔斯材料包括绝缘体，半导体，超导体和一些具有磁性的材料。它们在自旋电子学或超紧凑磁记忆介质中的应用非常有前景。
第一次定量测量磁化强度
到目前为止，还不可能定量地或纳米级地确定这些磁体的强度，排列和结构。由巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所的Georg-H.-Endress教授Patrick Maletinsky领导的研究小组证明，在原子力显微镜中使用单电子自旋装饰的金刚石尖端非常适合于这些类型的研究。
【使用金刚石量子传感器对二维磁体的前所未有的洞察力】“我们的方法使用钻石色心中的单个自旋作为传感器，开辟了一个全新的领域。现在可以在纳米尺度上甚至以定量方式研究二维材料的磁性。我们的创新量子传感器是完全适合这项复杂的任务，“Maletinsky说。
层数是至关重要的
利用这项最初在巴塞尔开发并基于单电子自旋的技术，科学家们与日内瓦大学的研究人员合作，确定了单原子层三碘化铬(CrI3)的磁性。因此，研究人员能够找到关于这种材料的磁性的关键科学问题的答案。
作为三维的块状晶体，三碘化铬是完全磁性有序的。然而，在原子层很少的情况下，只有具有奇数原子层的叠层显示出非零磁化。具有偶数层的叠层表现出反铁磁性; 即它们没有被磁化。这种“偶数/奇数效应”的原因和散装材料的差异以前是未知的。
应变为原因
Maletinsky的团队能够证明这种现象是由于层的特定原子排列。在样品制备过程中，各个三碘化铬层略微相互移动。在晶格中产生的应变意味着连续层的自旋不能在相同方向上对齐; 相反，旋转方向在层中交替。在层数均匀的情况下，层的磁化抵消; 对于奇数，所测量的磁化强度对应于单层的强度。
然而，当堆叠中的应变被释放时 - 例如，通过刺穿样品 - 所有层的自旋可以在相同的方向上对准，如在块状晶体中也观察到的那样。然后整个叠层的磁场强度与各层的总和一致。
因此，巴塞尔科学家所做的工作不仅回答了关于二维范德瓦尔斯磁体的关键问题，而且还揭示了他们的创新量子传感器如何在未来用于研究二维磁体以便贡献的有趣观点。开发新颖的电子元件