自2004年石墨烯被发现以来，二维材料的数量呈爆炸式增长。然而，在这个由单原子厚度的半导体、绝缘体和超导体组成的奇特组合中，一直缺少一个成员——磁体。事实上，物理学家们甚至不确定二维磁体是否可能存在，直到现在。
研究人员在6月7日发表在《自然》杂志上的一篇论文中报告了首个真正的二维磁体，它由一种名为三碘化铬的化合物制成。这项发现最终可能促成新型数据存储设备和量子计算机的设计。目前，二维磁体将使物理学家能够进行以前不可能进行的实验，并检验磁性的基本理论。
巴勃罗·哈里罗-埃雷罗，麻省理工学院剑桥分校的凝聚态物理学家，以及徐晓东，华盛顿大学西雅图分校的光电子学研究员，在2016年相遇之前分别在寻找二维磁体。他们决定联手进行研究。“这是一个原则问题——缺少了一个重要的东西，”哈里罗-埃雷罗说。
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磁性特性
徐和哈里罗-埃雷罗使用三碘化铬是因为它是一种由堆叠的薄片组成的晶体，可以使用“透明胶带法”分离：这是一种通过使用胶带剥离越来越薄的层来制造二维材料的方法。科学家们也被该化合物的磁性所吸引。
像冰箱磁铁一样，三碘化铬是一种铁磁体，一种由于其电子自旋排列而产生永久磁场的材料。三碘化铬也是各向异性的，这意味着它的电子具有首选的自旋方向——在本例中，垂直于晶体的平面。这些基本性质使徐和哈里罗-埃雷罗怀疑，当三碘化铬被剥离到单原子层时，它会保留其磁性特性。这是其他二维材料无法做到的。
哈里罗-埃雷罗的小组培养了三碘化铬晶体，并剥离了单层和多层薄片，而徐的实验室则使用灵敏的磁力计研究了这些样品。
研究小组发现，不仅单原子层三碘化铬是磁性的，而且这种特性出现在被认为是相对温暖的温度下：约–228°C。他们还发现，两层这种材料的薄片不是磁性的，但是当添加第三层时，该物质再次变成铁磁体。如果添加第四层，该材料仍然是磁性的，但会获得研究人员表示仍在研究的其他特性。
磁体的奥秘
哈里罗-埃雷罗和徐并不是唯一研究二维磁体的人。在四月下旬，另一组研究人员发表了他们对由铬、锗和碲制成的超薄晶体磁性的观察结果。真正的二维磁体在单原子层也会保持其磁性，但这种超薄晶体仅在多层时才具有磁性。
然而，宾夕法尼亚州立大学大学园分校的凝聚态物理学家尼廷·萨马斯表示，这两个结果都很重要，他没有参与这项工作。萨马斯为最近的研究撰写了一篇评论。在这些发现之前，“我们从未有一种通用方法来制造真正的二维磁性材料，”他说。自 1970 年代以来，研究人员一直试图制造和研究超薄磁体，但所有由此产生的材料都包含孔洞和凸起，并非真正的二维材料。
物理学家希望找到一种在室温下工作且无需防止氧化的二维磁体，以便最终可能将其用于消费电子产品。目前，哈里罗-埃雷罗和徐正在三碘化铬的化学家族中寻找其他二维磁体，并进一步探索他们已经创造出的磁体。
哈里罗-埃雷罗希望将二维磁体与二维超导体分层，看看会发生什么。在磁体中，电子自旋都是对齐的；在半导体中，它们以相反的对排列。“超导体会破坏铁磁体，还是铁磁体会破坏超导体？”他想知道。“以前根本不可能做这个实验。”
萨马斯说，现在判断这里在物理学方面是否有根本性的新东西还为时过早。但是，既然物理学家可以尝试使用二维磁体进行实验，他们就很兴奋地想找出答案。
本文经许可转载，于2017年6月7日首次发表。