西安交大科研人員在二維自旋玻璃中發現大的磁滯效應

自2004年石墨烯被分離以來，二維材料得到了前所未有的發展，並且在磁、電、力和光學等領域展現了許多奇異的特性。然而，二維磁性材料的合成與分離主要困難在於設計配體形成層內磁相互作用，同時阻隔層間磁相互作用。另一方面，具有特定拓撲結構和自旋阻錯特性的二維材料一般會表現出奇異的磁學性質，如基於六邊形衍生的Kagomé格子或蜂窩格子。其中，蜂窩狀晶格的基態是具有小的量子漲落的半經典Néel有序態，理論上很新奇。然而，真實化合物很難具有理想的蜂窩狀格子，常顯示出不同程度畸變，其中一個常見的畸變是六邊形的兩個邊明顯縮短，變成二聚蜂窩格子，或稱之為具有混合自旋的方形晶格。有趣的是，該晶格存在於著名的磁性絕緣體TlCuCl3，並在該材料中觀察到磁振子的玻色-愛因斯坦凝聚。因此，二聚蜂窩格子可作為研究量子相變的模型系統。不過截至目前，僅少數自旋中心為半整數的二聚蜂窩格子被報導，自旋為整數的未見報導。

近日，西安交通大學前沿院鄭彥臻教授課題組和東莞松山湖材料實驗室付振東副研究員及日本筑波大學大塩寛紀教授合作，報導了一例具有整數自旋的二聚蜂窩狀晶格組成的二維範德瓦爾斯磁性材料[Fe(4-etpy)2(N3)2]n(FEN)。通過透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡的形貌表徵，發現樣品呈層狀堆疊在一起，最薄處約為13納米厚，相當於單層化合物的十層。與長程磁有序的常見磁性質不同，穆斯堡爾譜和極化中子散射研究表明，該材料由於晶格內鐵磁和反鐵磁交換耦合相互作用而表現出一種可重入的自旋玻璃行為，在39 K和28 K溫度下，具有不同傾斜角的自旋玻璃相。利用Curély模型，可以模擬兩個交換耦合常數（J1= +35.8 cm−1和J2=−3.7 cm−1）。通過分析3.3到100 K溫度範圍內的極化中子散射數據，發現該二維磁性層之間的磁相互作用被有效阻隔，對磁散射的進一步模擬計算也表明該材料的短程自旋關聯具有二維的性質。2 K下的磁滯回線測量發現該材料具有1.9特斯拉的非常大的矯頑場，證明該材料是一種「非常硬」的二維範德瓦爾斯磁體。該工作為二維磁體與拓撲自旋阻挫結合開拓了一個可供研究的新方向。

該研究成果以封底文章形式在線發表在國際材料領域權威期刊Advanced Functional Materials（影響因子16.836）上，題目為「Reentrant Spin Glass and Large Coercive Field Observed in a Spin Integer Dimerized Honeycomb Lattice」。西安交大前沿院博士生翟沅琦和鄧義飛為本論文共同第一作者，西安交大前沿院為論文第一作者單位和通訊作者單位。該項工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研專項資金基金及唐仲英基金的資助，同時也得到了深圳市科技計劃項目、西安市科技局重點實驗室建設項目及金屬材料強度國家重點實驗室項目等支持。

論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004744

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