磁性二维材料的输运研究

Starting from graphene, the research in two-dimensional (2D) crystals has exploded into a set of sub-areas covering a vast class of materials. 2D materials have already exhibited a cornucopia of intriguing properties, such as the integer and fractional quantum Hall effects, valley Hall effect, charge density waves and superconductivity, to name a few. Yet, magnetism, a property that has been playing an indispensable role in both science and technology, remains to be realized in 2D crystals. Despite many theoretical predictions, experimental progress is little. The investigation is challenging when one tries to characterize the magnetic properties of 2D crystals, as common tools for magnetization characterization often require either a bulk sample, or a large surface area. Therefore, it is of extreme importance and urgency to establish characterization tools for 2D materials. In this project, we plan to search for magnetic 2D materials prepared by either mechanical exfoliation or chemical vapor growth. The main focus will be on development of various transport techniques suitable for magnetic characterization of 2D materials, including the anomalous Hall effect, Nernst effect, superconducting quantum interference device and spin Hall effect, etc. With these tools developed, the effect of the film thickness on properties of potential magnetic 2D materials will be systematically studied. The phase diagram and the critical behavior for magnetic monolayer materials with different magnetic interactions will be investigated so that insight into 2D phase transition can be obtained.

石墨烯的出现，打开了二维原子晶体研究的大门，大量二维材料随之涌现出来。二维材料表现出各种优异的性质，但是，磁性，这样一个无论在基础科学还是技术领域都异常重要的性质，还没有在二维晶体中实现。尽管已经有不少关于磁性二维材料的理论预言，实验研究却困难重重，进展缓慢。其中的重要原因之一是缺少表征二维材料磁性的工具。传统的表征工具往往需要大的样品体积或面积来获得足够的信号强度，无法满足二维材料测量的要求，因此急需发展二维材料的磁表征方法。本项目拟从实验上寻找磁性二维材料，研究重点放在发展表征二维材料磁性质的输运测量手段，如利用反常霍尔效应、Nernst效应，超导量子干涉和自旋霍尔效应等。然后采用这些发展起来的测量手段，系统研究潜在的磁性二维材料中样品厚度对磁有序的影响。项目还将通过测量，获取具有不同磁相互作用形式的单原子层材料的磁相图和临界行为，从而加深对二维系统中相变的理解。

磁性这样一个无论在基础科学还是技术领域都异常重要的现象，在二维材料中长期缺失。近年来，随着一系列磁性二维材料被陆续发现，他们的性质也逐渐被认识。然而在大量的二维材料中，磁性材料只占少数。本项目提出对范德瓦尔斯层状材料进行插层改性的思路，实现了在已有二维材料中引入磁性、电子关联和自旋轨道耦合等。我们着重研究了基于VS2具有相同分子式V5S8的两种插层化合物。对于V原子插层结构的V5S8材料，我们发现不光铁磁性可以在薄层中实现，而且通过插层原子磁矩和巡游电子之间的近藤效应，可以实现电子关联相互作用，类似的效应也可以通过二维材料表面磁性原子或分子实现。另一方面，我们发现了一种全新结构的V5S8插层化合物。这种材料可以看作是一维V2S2原子链插层二维VS2原子晶体的异维超晶格结构。更有意思的是，在这种材料中我们首次测量到了一种新颖的面内霍尔效应。分析表明这一效应由面内磁场产生的面外贝里曲率导致，暗示材料具有独特的自旋轨道耦合。材料还表现出很强的超导反近邻效应。利用该效应，我们演示了一种同质界面约瑟夫森结，其完全透明的超导-正常金属界面大幅提升了结的临界电流和性能优值。V5S8中的自旋轨道耦合还使得约瑟夫森结的夫琅禾夫衍射图案表现出不同寻常的对称性，为构建非传统超导提供了一种方式。项目研究结果表明对范德瓦尔斯层状材料进行插层，可以对大量已有二维材料进行设计、改性，引入磁性、电子关联、自旋轨道耦合和超导电性等，这将大大丰富这些材料的物性。