硫化鉻溴化物結(jié)晶成薄層，可以剝離并堆疊以制造納米級器件。哥倫比亞大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，這種材料的電子和磁性是聯(lián)系在一起的——這一發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究以及自旋電子學(xué)的潛在應(yīng)用。圖片來源：韓明根、朱毅梅

計(jì)算機(jī)中的信息通過電子的運(yùn)動(dòng)通過半導(dǎo)體傳輸，并存儲在磁性材料中電子自旋的方向上。為了縮小器件，同時(shí)提高其性能-這是一個(gè)名為自旋電子學(xué)（“自旋電子學(xué)”）的新興領(lǐng)域的目標(biāo)，研究人員正在尋找結(jié)合兩種量子特性的獨(dú)特材料。哥倫比亞大學(xué)的一個(gè)化學(xué)家和物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《自然材料》雜志上發(fā)現(xiàn)，在一種名為硫化鉻溴化物（CrSBr）的材料中，電子傳輸和磁性之間存在很強(qiáng)的聯(lián)系。

CrSBr是在化學(xué)家Xavier Roy的實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造的，是一種所謂的范德華晶體，可以剝離成可堆疊的2D層，只有幾個(gè)原子薄。與被氧氣和水迅速破壞的相關(guān)材料不同，CrSBr晶體在環(huán)境條件下是穩(wěn)定的。這些晶體在相對較高的-280F溫度下也保持其磁性，避免了將昂貴的液氦冷卻至-450F溫度的需要，

“CrSBr比其他2D磁體更容易使用，這使我們能夠制造新穎的設(shè)備并測試其性能，”羅伊實(shí)驗(yàn)室的博士后Evan Telford說，他于2020年畢業(yè)于哥倫比亞大學(xué)，獲得物理學(xué)博士學(xué)位。去年，華盛頓大學(xué)的同事Nathan Wilson和Xiaodong Xu以及哥倫比亞大學(xué)的Xiaoyang Zhu發(fā)現(xiàn)了磁性與CrSBr對光的反應(yīng)之間的聯(lián)系。在目前的工作中，Telford領(lǐng)導(dǎo)了探索其電子特性的努力。

該團(tuán)隊(duì)使用電場來研究不同電子密度，磁場和溫度的CrSBr層 – 可以調(diào)整不同的參數(shù)以在材料中產(chǎn)生不同的效果。隨著CrSBr中的電子特性發(fā)生變化，其磁性也發(fā)生了變化。

“半導(dǎo)體具有可調(diào)的電子特性。磁鐵具有可調(diào)自旋配置。在CrSBr中，這兩個(gè)旋鈕是組合在一起的，“羅伊說。“這使得CrSBr對基礎(chǔ)研究和潛在的自旋電子學(xué)應(yīng)用都具有吸引力。

Telford解釋說，磁性是一種難以直接測量的特性，特別是當(dāng)材料的尺寸縮小時(shí)，但是很容易用稱為電阻的參數(shù)來測量電子的移動(dòng)方式。在CrSBr中，電阻可以作為其他不可觀測磁態(tài)的代理。“這非常強(qiáng)大，”羅伊說，特別是當(dāng)研究人員希望有朝一日用這種2D磁鐵制造芯片時(shí)，這些芯片可用于量子計(jì)算，并在狹小的空間內(nèi)存儲大量數(shù)據(jù)。

Telford說，材料的電子和磁性特性之間的聯(lián)系是由于層中的缺陷 – 對于團(tuán)隊(duì)來說，這是一個(gè)幸運(yùn)的突破?！叭藗兺ǔＯ胍?#8217;最干凈’的材料。我們的晶體有缺陷，但沒有這些缺陷，我們就不會(huì)觀察到這種耦合，“他說。

從這里開始，羅伊實(shí)驗(yàn)室正在試驗(yàn)如何種植具有故意缺陷的可剝離范德華晶體，以提高微調(diào)材料性能的能力。他們還在探索不同的元素組合是否可以在更高的溫度下發(fā)揮作用，同時(shí)仍然保留這些有價(jià)值的組合特性。