“磁性石墨烯”形成了一种新磁性（附原文）

诸平

据英国剑桥大学（University of Cambridge）2021年2月8日提供的消息，研究人员在所谓的磁性石墨烯中发现了一种新的磁性形式，这可能为理解这种不同寻常的材料的超导性指明了方向。

由剑桥大学领导的研究人员能够控制硫代磷酸铁(FePS₃)的导电性和磁性。FePS₃是一种二维材料，在受到压缩后会从绝缘体转变为金属。这类磁性材料为理解新磁性态和超导性的物理性质提供了新途径。

研究人员使用新的高压技术，证明了从绝缘体到导体过渡到非常规金属态的过程中磁性石墨烯会发生什么，只有在超高压条件下才能实现。当材料变成金属时，它依然保持磁性，这与先前的结果相反，并提供了有关金属相中电传导如何工作的线索。新发现的高压磁相是可能形成超导的先兆，因此了解其机理至关重要。相关研究结果已经在《物理评论X辑》（Physical Review X）杂志网站发表——Matthew J. Coak, David M. Jarvis, Hayrullo Hamidov, Andrew R. Wildes, Joseph A. M. Paddison, Cheng Liu, Charles R. S. Haines, Ngoc T. Dang, Sergey E. Kichanov, Boris N. Savenko, Sungmin Lee, Marie Kratochvílová, Stefan Klotz, Thomas C. Hansen, Denis P. Kozlenko, Je-Geun Park, Siddharth S. Saxena. Emergent Magnetic Phases in Pressure-Tuned van der Waals Antiferromagnet FePS₃. Physical Review X, 2021, 11: 011024. DOI: 10.1103/PhysRevX.11.011024. Published 5 February 2021. PhysRevX.11.011024.pdf 

此文提出了一种新的方法，可以对新材料进行设计，使其既具有导电性也具有磁性，二者融为一体，这对于自旋电子学（spintronics）等新技术的开发可能是有用的，这可以改变计算机处理信息的方式。

物质的性质会随着尺寸的变化而发生巨大变化。例如，石墨烯、碳纳米管、石墨和金刚石都是由碳原子组成，但是由于它们的结构和尺寸不同而具有截然不同的特性。

上述论文的第一作者、也是剑桥卡文迪许实验室（Cambridge's Cavendish Laboratory）和沃里克大学（University of Warwick）的联合研究员马修·科克（Matthew Coak）博士说：“但可以想像一下，如果还能通过增加磁性来改变所有这些性质。一种具有机械柔性的材料，可以形成一种新型的电路来存储信息并进行计算。这就是为什么这些材料如此有趣的原因，因为它们在受到压力时会极大地改变其性能，因此我们可以控制其行为。”

在剑桥卡文迪许实验室和剑桥大学地球科学系塞巴斯蒂安·海恩斯（Sebastian Haines）的先前研究中，研究人员确定该材料在高压下会变成金属，并概述了这种2D材料层中原子的晶体结构和排列如何通过这种方式过渡而改变的。

马修·科克说：“但是，磁性仍然缺失。” “由于没有实验技术能够在如此高的压力下探测这种材料的磁性特征，我们的国际团队不得不开发和测试我们自己的新技术，使其成为可能。”

研究者使用新技术来测量在破纪录的高压条件下的磁性结构，并使用特别设计的金刚石砧（diamond anvils）和中子作为磁性探针。然后，他们就能够跟踪由磁性向金属状态的演变过程。

合作者、卡文迪许实验室负责人西达尔特·萨克塞纳（Siddharth Saxena）博士说：“令我们惊讶的是，我们发现磁性能够幸存并在某种程度上得到了增强。” “这是出乎意料的，因为新导电材料中的新自由漫游的电子不再能够被锁定在其母体铁原子上，从而在那里产生磁矩——除非传导来自一个意想不到的来源。”

在他们以前的论文中，研究人员表明这些电子在某种意义上是“冻结的”。但是当他们让其流动或移动时，它们的互动就会越来越多。磁性得以保留，但被修饰成新的形式，从而在新型磁性金属中产生了新的量子特性。

无论是导体还是绝缘体，材料的行为主要取决于电子或电荷的运动方式。但是，已经证明电子的“自旋”是磁性的来源。自旋使电子的行为有点像微小的条形磁铁，并以某种方式指向。电子自旋排列产生的磁性被用于大多数存储设备：利用和控制它对于开发诸如自旋电子学这样的新技术非常重要，该技术可以改变计算机处理信息的方式。

在卡文迪许实验室工作，但来自法国劳厄-郎之万研究所（Institut Laue-Langevin）的合著者戴维·贾维斯（David Jarvis）博士说：“电荷和自旋两者的结合是这种材料如何工作的关键。”“发现这种量子多功能性是这些材料研究的又一次飞跃。”

西达尔特·萨克塞纳说：“我们并不知道量子层面究竟发生了什么，但与此同时，我们可以操纵它。” “就像那些著名的'未知的未知'：我们为量子信息的特性打开了一扇新的大门，但是我们还不知道这些特性可能是什么。”

要合成的潜在化合物比能够完全探索和描述的要更多。但是，通过仔细选择和调整具有特殊性能的材料，就有可能在不施加巨大压力的情况下，展示创造化合物和体系的方法。

此外，获得对低维磁性和超导性等现象的基本理解，使研究人员能够在材料科学和工程方面取得新飞跃，特别是在能效、发电和存储方面。

至于磁性石墨烯，研究人员下一步计划继续研究这种独特材料的超导性。马修·科克说:“现在我们对这种材料在高压下会发生什么有了一些了解，如果我们试图通过进一步加压来增加自由电子，调整其特性，我们可以对可能发生的事情做出一些预测。”

西达尔特·萨克塞纳说:“我们追求的是超导性。”“如果我们能在二维材料中找到一种与磁性有关的超导类型，那么它可以使我们有办法来解决几十年前的问题。”更多信息请注意浏览原文

PhysRevX.11.011024.pdf 或者相关报道。

Magnetic graphene switches between insulator and conductor

Abstract

Layered van der Waals 2D magnetic materials are of great interest in fundamental condensed-matter physics research, as well as for potential applications in spintronics and device physics. We present neutron powder diffraction data using new ultrahigh-pressure techniques to measure the magnetic structure of Mott-insulating 2D honeycomb antiferromagnet FePS₃ at pressures up to 183 kbar and temperatures down to 80 K. These data are complemented by high-pressure magnetometry and reverse Monte Carlo modeling of the spin configurations. As pressure is applied, the previously measured ambient-pressure magnetic order switches from an antiferromagnetic to a ferromagnetic interplanar interaction and from 2D-like to 3D-like character. The overall antiferromagnetic structure within the ab planes, ferromagnetic chains antiferromagnetically coupled, is preserved, but the magnetic propagation vector is altered from k=(0, 1, 12) to k=(0, 1, 0), a halving of the magnetic unit cell size. At higher pressures, coincident with the second structural transition and the insulator-metal transition in this compound, we observe a suppression of this long-range order and emergence of a form of magnetic short-range order which survives above room temperature. Reverse Monte Carlo fitting suggests this phase to be a short-ranged version of the original ambient-pressure structure—with the Fe moment size remaining of similar magnitude and with a return to antiferromagnetic interplanar correlations. The persistence of magnetism well into the HP-II metallic state is an observation in contradiction with previous x-ray spectroscopy results which suggest a spin-crossover transition.