寧波材料所在二維磁性材料領(lǐng)域取得新進展

自二維磁性材料被成功制備以來，人們一直極度關(guān)注其磁性的調(diào)控。特別是對于雙層CrI3而言，曾經(jīng)有多篇文獻（Nature 546, 270 (2017); Science 360, 1214 (2018); Science 360, 1218 (2018); Nat. Mater. 17, 406 (2018)）報道其具有層間反鐵磁序，并且在施加外場后，可以實現(xiàn)從反鐵磁性到鐵磁性的轉(zhuǎn)變，并觀察到巨大的隧穿磁阻。文獻報道稱，CrI3會在220K左右發(fā)生由溫度誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相變，由單斜相（高溫相）轉(zhuǎn)變成六方相（低溫相）。人們通常認為類石墨烯堆垛六方相是低溫穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，然而，研究團隊的密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的雙層CrI3具有穩(wěn)定的層間鐵磁序，并非實驗上所發(fā)現(xiàn)的層間反鐵磁序。因此，雙層CrI3磁性相關(guān)的研究焦點之一在于確定其真實的材料結(jié)構(gòu)及層間耦合機制。

近期，中科院寧波材料所鐘志誠研究員團隊和中國人民大學季威教授團隊合作，基于*性原理計算研究了雙層CrI3中的層間磁耦合機制，發(fā)現(xiàn)堆垛方式可以調(diào)控層間耦合形式，從而誘導(dǎo)出不同的層間磁基態(tài)：其中低溫相堆垛結(jié)構(gòu)為層間鐵磁序，而該工作預(yù)測的高溫相堆垛結(jié)構(gòu)為層間反鐵磁序。文章中還指出，在以往的實驗報道中，由于實驗樣品制備的原因，CrI3雙層結(jié)構(gòu)會受到BN等襯底的限制，在降溫后并沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而是保持了反鐵磁態(tài)的高溫相結(jié)構(gòu)。該工作解決了*近一系列實驗中雙層CrI3層間反鐵磁序來源這個懸而未決的問題，提出了一種在弱非共價耦合極限下的磁耦合機制，并為二維材料中利用堆垛的自由度調(diào)控磁性提供了可能。在審稿期間，該工作的預(yù)印本（arXiv:1806. 09274）已被引用十余次，部分理論預(yù)測*近分別被復(fù)旦大學吳施偉教授團隊及瑞士巴塞爾大學（University of Basel）的P. Maletinsky教授團隊的實驗工作所證實（arXiv:1904.03577；Science 10.1126/science.aav6926 (2019)）。

上述工作于2019年4月1日以“Stacking tunable interlayer magnetism in bilayer CrI3”為題發(fā)表在Phys. Rev. B（Phys. Rev. B 99, 144401 (2019)）(論文鏈接： https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.99.144401)，并被編輯推薦為“Editors' Suggestion”。寧波材料所的博士后蔣沛恒和中國人民大學的博士生王聰為該論文的共同一作，寧波材料所的鐘志誠研究員和中國人民大學教授季威為共同通訊作者。該工作得到了國家基金委、中國科學院、中國人民大學、中國博士后科學基金等的資助。該工作中的數(shù)值計算是在寧波材料所超算中心、中國人民大學高性能計算中心及上海超算中心進行。