在二維層狀材料中實現磁性是研究人員的重要目標，因為二維磁性材料既是構造自旋電子學器件的基礎，又是研究新奇物理現象的平臺。通常，人們通過摻雜磁性原子或利用界面近鄰效應在非磁性材料中引入磁性，但是這些非本徵的磁性易受到載流子濃度、雜質類型、界面原子結構等因素的影響。因此，人們希望實現具有本徵磁性的二維層狀材料。先前人們根據Mermin–Wagner定理，各向同性的單原子層二維材料由於長程熱漲落並不能表現出宏觀磁性，本徵二維磁性材料被認為不能存在。最近的實驗工作發現，範德瓦爾斯結合的層狀材料CrI3和Cr2Ge2Te6具有低維長程磁序[Nature 546, 270 (2017), Nature 546, 265 (2017)]，這些工作開創了本徵二維磁性材料研究的新時代。目前已知的二維本徵磁性材料很少，其較低的居裡溫度（<50 K）很難滿足電子學器件的實用要求。比如量子反常霍爾效應只在極低溫下的複雜磁性體系中實現，將這類拓撲態應用到實際體系的途徑之一就是尋找新型二維磁性材料。而且，新材料體系的發現將可能揭示出新的拓撲電子態。
近年來，基於第一性原理的高通量篩選方法逐漸成為發現新材料的途徑，為尋找本徵二維磁性材料及研究新奇電子性質提供了新手段。最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF10組博士研究生劉行在孫家濤副研究員和孟勝研究員的指導下，搭建了高通量篩選二維磁性材料的第一性原理計算流程及相關資料庫，從材料資料庫中發現了數十種新型層狀磁性材料。一些具有高居裡溫度的鐵磁材料還呈現出新穎拓撲電子態。
他們把基於Materials Project資料庫得到的627種二維材料作為篩選起點，首先對其磁性進行了研究，發現33種反鐵磁二維材料和56種鐵磁二維材料（圖1）。重要的是，24種鐵磁材料的居裡溫度均高於實驗證實的鐵磁體CrI3（圖2）。對這些材料的拓撲性質進行計算後發現：（1）單層VCl3和RuCl3呈現出本徵的量子反常霍爾態，同時具有時間反演對稱性破缺導致的K和K』能谷極化，此共存態被稱為「谷極化的量子反常霍爾態」（圖3）；（2）單層ScCl具有一種新型費米子，被稱為「第二類外爾節點環費米子」（圖4）。這既為實現高溫低維磁體及構造自旋電子學器件奠定了材料基礎，也為研究新拓撲物態提供了平臺。本項研究作者還包括劉淼副研究員，主要結果於2018年11月7日發表在Journal of Physical Chemistry Letters上[ H. Liu et al, J. Phys. Chem. Lett. 9, 6709 (2018) ]。
圖1. 高通量篩選磁性二維材料流程。
圖2. 89種磁性單層材料及其居裡溫度。
圖 3. 鐵磁性的單層RuCl3具有本徵的谷極化量子反常霍爾態。
圖 4. 鐵磁性的單層ScCl中存在第二類外爾節點環費米子。
該研究工作得到科技部（項目批准號2016YFA0202300, 2016YFA0300902, 2015CB921001, 和2013CBA01600）、國家自然科學基金委（項目批准號11774396和61306114）和中國科學院（項目批准號XDB30000000和XDB07030100）的資助。
文章下載連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.8b02783
編輯：Tomic
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