郑彦臻课题组在二维自旋玻璃中发现大的磁滞效应

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自2004年石墨烯被分离以来，二维材料得到了前所未有的发展，并且在磁、电、力和光学等领域展现了许多奇异的特性。然而，二维磁性材料的合成与分离是主要的困难在于设计配体形成层内磁相互作用，同时阻隔层间磁相互作用。另一方面，具有特定拓扑结构和自旋阻错特性的二维材料一般会表现出奇异的磁学性质，如基于六边形衍生的Kagomé格子或蜂窝格子。其中，蜂窝状晶格的基态是具有小的量子涨落的半经典Néel有序态，理论上很新奇。然而，真实化合物很难具有理想的蜂窝状格子，常显示出不同程度畸变。其中一个常见的畸变是六边形的两个边明显缩短，变成二聚蜂窝格子，或称之为具有混合自旋的方形晶格。有趣的是，该晶格存在于著名的磁性绝缘体TlCuCl3，并在该材料中观察到磁振子的玻色-爱因斯坦凝聚。因此，二聚蜂窝格子可作为研究量子相变的模型系统。不过截止目前，仅少数自旋中心为半整数的二聚蜂窝格子被报道，自旋为整数的未见报导。

        近日，西安交通大学前沿院郑彦臻教授课题组和东莞松山湖材料实验室的付振东副研究员及日本筑波大学的大塩寛紀教授合作，报道了一例具有整数自旋的二聚蜂窝状晶格组成的二维范德瓦尔斯磁性材料 [Fe(4-etpy)2(N3)2]n (FEN)。通过透射电子显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜的形貌表征，发现样品呈层状堆叠在一起，最薄处约为13纳米厚，相当于单层化合物的十层。与长程磁有序的常见磁性质不同，穆斯堡尔谱和极化中子散射研究表明，该材料由于晶格内铁磁和反铁磁交换耦合相互作用而表现出一种可重入的自旋玻璃行为，在39 K和28 K温度下，具有不同倾斜角的自旋玻璃相。利用Curély模型，可以模拟两个交换耦合常数（J1 = +35.8 cm−1和J2 = −3.7 cm−1）。通过分析3.3到100 K温度范围内的极化中子散射数据，发现该二维磁性层之间的磁相互作用被有效阻隔，对磁散射的进一步模拟计算也表明该材料的短程自旋关联具有二维的性质。2 K下的磁滞回线测量发现该材料具有1.9特斯拉的非常大的矫顽场，证明该材料是一种“非常硬”的二维范德瓦尔斯磁体。该工作为二维磁体与拓扑自旋阻挫结合开拓了一个可供研究的新方向。
       该研究成果以封底文章形式在线发表在国际材料领域权威期刊Advanced Functional Materials（影响因子16.836）上，题为“Reentrant Spin Glass and Large Coercive Field Observed in a Spin Integer Dimerized Honeycomb Lattice”。西安交大前沿院博士生翟沅琦和邓义飞为本论文共同第一作者，西安交大前沿院为论文的第一作者单位和通讯作者单位。该项工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研专项资金基金及唐仲英基金的资助，同时也得到了深圳市科技计划项目、西安市科技局重点实验室建设项目及金属材料强度国家重点实验室项目等的支持。
       论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004744
       郑彦臻课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/zheng.yanzhen/home


        文章来源：西安交通大学
        郑彦臻现为西安交通大学教授、前沿科学技术研究院荣誉副院长、《中国化学快报》青年编委，2007年博士毕业于中山大学，曾任德国洪堡学者、欧盟玛丽居里学者、日本国立物质研究所的ICYS学者，2012年入选国家学者、2017年获日本化学会颁予的“亚洲国际学术论坛杰出授课奖”。其主要研究兴趣是以配位化学及磁性物理为交叉的分子基磁性材料，及其在分子自旋电子器件中的应用。迄今在Nat Commun、J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、Adv Mater、Chem Soc Rev等知名学术期刊发表SCI论文98篇，引用4805次，H因子39。