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在二維層狀材料中實(shí)現磁性是研究人員的重要目標，因為二維磁性材料既是構造自旋電子學(xué)器件的基礎，又是研究新奇物理現象的平臺。通常，人們通過(guò)摻雜磁性原子或利用界面近鄰效應在非磁性材料中引入磁性，但是這些非本征的磁性易受到載流子濃度、雜質(zhì)類(lèi)型、界面原子結構等因素的影響。因此，人們希望實(shí)現具有本征磁性的二維層狀材料。先前人們根據Mermin–Wagner定理，各向同性的單原子層二維材料由于長(cháng)程熱漲落并不能表現出宏觀(guān)磁性，本征二維磁性材料被認為不能存在。最近的實(shí)驗工作發(fā)現，范德瓦爾斯結合的層狀材料CrI3和Cr2Ge2Te6具有低維長(cháng)程磁序[Nature 546, 270 (2017), Nature 546, 265 (2017)]，這些工作開(kāi)創(chuàng )了本征二維磁性材料研究的新時(shí)代。目前已知的二維本征磁性材料很少，其較低的居里溫度（

近年來(lái)，基于第一性原理的高通量篩選方法逐漸成為發(fā)現新材料的途徑，為尋找本征二維磁性材料及研究新奇電子性質(zhì)提供了新手段。最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗室SF10組博士研究生劉行在副研究員孫家濤和研究員孟勝的指導下，搭建了高通量篩選二維磁性材料的第一性原理計算流程及相關(guān)數據庫，從材料數據庫中發(fā)現了數十種新型層狀磁性材料。一些具有高居里溫度的鐵磁材料還呈現出新穎拓撲電子態(tài)。

他們把基于Materials Project數據庫得到的627種二維材料作為篩選起點(diǎn)，首先對其磁性進(jìn)行了研究，發(fā)現33種反鐵磁二維材料和56種鐵磁二維材料（圖1）。重要的是，24種鐵磁材料的居里溫度均高于實(shí)驗證實(shí)的鐵磁體CrI3（圖2）。對這些材料的拓撲性質(zhì)進(jìn)行計算后發(fā)現：（1）單層VCl3和RuCl3呈現出本征的量子反?；魻枒B(tài)，同時(shí)具有時(shí)間反演對稱(chēng)性破缺導致的K和K’能谷極化，此共存態(tài)被稱(chēng)為“谷極化的量子反?；魻枒B(tài)”（圖3）；（2）單層ScCl具有一種新型費米子，被稱(chēng)為“第二類(lèi)外爾節點(diǎn)環(huán)費米子”（圖4）。這既為實(shí)現高溫低維磁體及構造自旋電子學(xué)器件奠定了材料基礎，也為研究新拓撲物態(tài)提供了平臺。該項研究作者還包括副研究員劉淼，主要結果于11月7日發(fā)表在Journal of Physical Chemistry Letters上[H. Liu et al, J. Phys. Chem. Lett. 9, 6709 (2018)]。

該研究工作得到科技部（項目批準號2016YFA0202300, 2016YFA0300902, 2015CB921001, 和2013CBA01600）、國家自然科學(xué)基金委（項目批準號11774396和61306114）和中科院（項目批準號XDB30000000和XDB07030100）的資助。

　　文章鏈接

                                                                           圖1. 高通量篩選磁性二維材料流程

                                                                      圖2. 89種磁性單層材料及其居里溫度

                                                              圖3. 鐵磁性的單層RuCl3具有本征的谷極化量子反?；魻枒B(tài)

                                                                   圖4. 鐵磁性的單層ScCl中存在第二類(lèi)外爾節點(diǎn)環(huán)費米子