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金剛石量子傳感器用于以定量方式確定材料三碘化鉻的各個(gè)原子層的磁性能。結(jié)果表明，連續(xù)層中自旋的方向在各層中交替。圖片來源：巴塞爾大學(xué)物理系

巴塞爾大學(xué)的物理學(xué)家首次成功地在納米級(jí)上測(cè)量了原子級(jí)薄范德華材料的磁性。他們使用金剛石量子傳感器來確定三碘化鉻材料單個(gè)原子層的磁化強(qiáng)度。此外，他們發(fā)現(xiàn)了這種材料異常磁性的長(zhǎng)期尋求的解釋。科學(xué)雜志已經(jīng)發(fā)表了研究結(jié)果。

原子薄的二維范德華材料的使用有望在科學(xué)和技術(shù)的許多領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新。世界各地的科學(xué)家一直在探索堆疊不同單個(gè)原子層的新方法，從而設(shè)計(jì)出具有獨(dú)特，新興特性的新材料。

這些超薄復(fù)合材料在范德華力的作用下保持在一起，其行為通常與相同材料的塊狀晶體不同。原子薄的范德華材料包括絕緣體，半導(dǎo)體，超導(dǎo)體和一些具有磁性的材料。它們?cè)谧孕�電子學(xué)或超緊湊型磁存儲(chǔ)介質(zhì)中的使用是非常有前途的。

首次定量測(cè)量磁化強(qiáng)度

到目前為止，尚無法定量或在納米尺度上確定這些磁體的強(qiáng)度，排列和結(jié)構(gòu)。由巴塞爾大學(xué)物理系和瑞士納米科學(xué)研究所的Georg-H.-Endress教授Patrick Maletinsky領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)證明，在原子力顯微鏡中使用飾有單電子自旋的金剛石尖端非常適合這些類型的研究。

“我們的方法使用鉆石色心中的各個(gè)自旋作為傳感器，開辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域�，F(xiàn)在，可以在納米級(jí)甚至以定量方式研究二維材料的磁性。我們創(chuàng)新的量子傳感器是非常適合此復(fù)雜任務(wù)。” Maletinsky說。

層數(shù)很關(guān)鍵

利用最初在巴塞爾開發(fā)的，基于單電子自旋的這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家與日內(nèi)瓦大學(xué)的研究人員合作，確定了三碘化鉻（CrI 3）單原子層的磁性。因此，研究人員能夠找到有關(guān)該材料磁性的關(guān)鍵科學(xué)問題的答案。

作為三維塊狀晶體，三碘化鉻完全磁化。但是，在原子層很少的情況下，只有具有奇數(shù)個(gè)原子層的堆疊才會(huì)顯示出非零磁化強(qiáng)度。具有偶數(shù)層的疊層表現(xiàn)出反鐵磁行為；即它們沒有被磁化。這種“偶數(shù)/奇數(shù)效應(yīng)”的原因以及與散裝物料的差異以前是未知的。

原因是應(yīng)變

Maletinsky的團(tuán)隊(duì)能夠證明這種現(xiàn)象是由于層的特定原子排列引起的。在樣品制備過程中，單個(gè)三碘化鉻層彼此之間略微移動(dòng)。晶格中產(chǎn)生的應(yīng)變意味著連續(xù)層的自旋無法沿相同方向?qū)�齊；相反，旋轉(zhuǎn)方向在各層中交替。在偶數(shù)層的情況下，層的磁化抵消了；具有奇數(shù)個(gè)，所測(cè)量的磁化對(duì)應(yīng)于一個(gè)單一的的強(qiáng)度層。

但是，當(dāng)釋放堆棧中的應(yīng)變時(shí)（例如，通過刺穿樣品），所有層的自旋都可以沿相同方向排列，這在塊狀晶體中也可以看到。整個(gè)疊層的磁強(qiáng)度則與各個(gè)層的總和一致。

因此，巴塞爾科學(xué)家所做的工作不僅回答了有關(guān)二維范德華磁體的關(guān)鍵問題，而且還開辟了有趣的觀點(diǎn)，探討了如何在未來將其創(chuàng)新的量子傳感器用于研究二維磁體以做出貢獻(xiàn)。發(fā)展新型電子元件。