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让“光”照进黑暗处,复旦课题组细读“二维材料之书”的一页
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来源:上观新闻 作者:彭德倩 肖暖暖 2019-08-04 19:16
摘要:更重要的一点是,二维材料的所有原子都暴露在表面上,没有被藏起来的“体”的部分,相比于三维体材料而言更容易被调控。

很多人因为诺贝尔奖知道了石墨烯的存在。15年前,伴随着单原子层的石墨材料——石墨烯被成功分离出来,对二维材料的研究开始进入科学家的视野。迄今为止,科研人员已经发现了包括绝缘体、半导体、金属等至少几十种性质截然不同的二维材料。

近年来,二维磁性材料在国际上成为该领域备受关注的研究热点。由于它们能将自发磁化保持到单原胞层厚度,为人们理解和调控低维磁性提供了新的研究平台,也为二维磁性与自旋电子学器件的研发开辟了新的方向,在新型光电器件、自旋电子学器件等方面有着重要应用价值。

近日,复旦大学物理学系吴施伟课题组与华盛顿大学许晓栋课题组合作,在二维磁性材料双层三碘化铬中观测到源于层间反铁磁结构的非互易二次谐波非线性光学响应,并揭示了三碘化铬中层间反铁磁耦合与范德瓦尔斯堆叠结构的关联。相关研究成果发表于《自然》(Nature)杂志。

经典方法引入新领域:探索层状材料中的最小单元

研究二维材料的意义何在?科学家们以石墨烯举例,由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。作为二维材料的石墨烯,与之对应的母体材料就是石墨,即二维材料依靠层间范德瓦尔斯相互作用堆积而成的层状材料。自上世纪70年代起,层状材料就由于电荷密度波、超导、锂电池等领域的研究颇受关注。把层状材料中的最小单元——一个单层——制备出来进行研究,就好比人们打开一本书仔细研读其中的某一页。对于二维材料的深入研究,不仅很有可能揭开这些层状母体材料的谜团,还可能发现蕴藏于其中的不存在于三维体系中的物理。更重要的一点是,二维材料的所有原子都暴露在表面上,没有被藏起来的“体”的部分,相比于三维体材料而言更容易被调控。

此次,复旦课题组在研究工作中观测到的由层间反铁磁诱导的二次谐波响应,让团队成员们非常兴奋,因为他们知道,这在二维材料的研究和非线性光学领域都具有重要的意义。

“意义首先在于其独特性。”吴施伟介绍,迄今为止二维材料领域所研究的二次谐波大多由晶格结构的对称破缺引起。“对称破缺也就是破坏对称性,例如人的左右手原本是镜面对称的,如果一只手指受伤,那么镜面对称就破缺了。”而这种由磁结构产生的非互易二次谐波和前者有本质区别,从原理上就十分新颖。

据了解,反铁磁材料由于没有宏观的磁矩,对外部的物理激励一般难以产生宏观的可测量的响应,对仅有几个原子层厚的二维反铁磁材料往往无能为力。“过去这个问题就像是灯光照不到的地方,一片黑暗无从下手。然而就是这样的一种‘暗’状态,现在能通过二次谐波的方式变‘亮’。这也是将一种经典的方法引入一个新领域的美妙所在。”吴施伟对此颇有感触。这种二次谐波过程对材料磁结构的对称性高度敏感,为二维磁性材料的研究开辟了广阔的研究空间。

研究团队同时发现,双层反铁磁三碘化铬的二次谐波信号相比于过去已知的磁致二次谐波信号(例如氧化铬Cr2O3),在响应系数上有三个以上数量级的提升,比常规铁磁界面产生的二次谐波更是高出十个数量级。利用这一强烈的二次谐波信号,团队得以揭示双层三碘化铬的原胞层堆叠结构的对称性。

据介绍,这一发现为研究二维材料层间堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的关联提供了新的实验证据和研究手段。

创新研发实验系统 照亮纳米级空间

研究团队在实验中探测的反铁磁材料仅有两个原胞层厚度(厚度在2nm以下),而在此条件下,中子散射等测量手段很难奏效。针对这一问题,团队基于过去多年在二维材料非线性光学研究领域的积累,运用了光学二次谐波这一方法来探测二维磁性材料。

值得一提的是,光学二次谐波过程对体系的对称性高度敏感,其探测方法从体系的对称性入手,能够灵敏地探测体系的反铁磁性。与通常探测磁性的实验手段不同,它不依赖于材料的宏观磁性,而取决于微观磁结构造成的对称破缺。双层三碘化铬在反铁磁态下,其磁结构不但打破了时间反演对称性,也同时打破了空间反演对称性,由此产生强烈的非互易二次谐波响应。当体系升至转变温度以上、或施加面外磁场拉为铁磁态后,磁结构的对称性却发生了改变,这一二次谐波信号也随之消失。

两年前,课题组初步打算利用实验室已有的无液氦可变温显微光学扫描成像系统进行了初步测量,但由于该系统没有磁场,很多关键的实验测量受到了限制。为解决这一问题,科研人员攻坚克难,利用一套无液氦室温孔超导磁体,自主研发搭建了一套无液氦可变温强磁场显微光学扫描成像系统,并借助新系统实现强磁场下的光学测量,完成了关键数据的探测。

栏目主编:徐瑞哲 文字编辑:徐瑞哲 题图来源:复旦大学供图 图片编辑:苏唯
题图说明:双层三碘化铬(CrI3)的二次谐波光学显微图。
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