张晨栋课题组在《自然·通讯》发表范德华反铁磁自旋链研究成果

gmao800

4月29日，《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表了武汉大学物理科学与技术学院张晨栋教授团队关于低维范德瓦尔斯（vdW）体系中新奇自旋链的重要研究进展，论文题为“Controllable dimensionality conversion between 1D and 2D CrCl3 magnetic nanostructures”（《一维-二维CrCl3磁结构的维度调控》）。武汉大学为第一署名单位，武汉大学物理学院张晨栋教授、何军教授和中国人民大学季威教授为通讯作者，物理学院博士后卢双赞、博士生程政波、郭艳萍与人民大学博士生郭的坪为论文共同第一作者。
        探索范德瓦尔斯材料新奇物性的一个重要范式是制备出相应的一维对应物。例如，已经进行广泛研究的石墨烯纳米带、以及过渡金属硫族化物纳米线，都表现出丰富且独特的低维电子关联特性。最近在二维范德瓦尔斯材料领域的一个重大突破是在原子层厚度极限下（单层CrI3和少层Cr2Ge2Te6）中实现了长程磁有序，具有重要的基础物理意义和技术应用价值。是否可以进一步将磁性范德华结构推进到一维，并演示跨维度的范德华集成，成为领域内的迫切的焦点问题。
        此外，一维自旋链也是重要的基础物理平台，多体量子物理中的许多关键概念基于此模型诞生，甚至引发了一些重要的新物态探索（如马约拉纳费米子）。目前已有的自旋链体系中，自旋链的激发态一般均较强地依赖于与环境的耦合情况。实现具有范德华特性的一维自旋链的制备，可以最大限度地减少与支撑衬底间的不可控相互作用，维持链内较大的磁交换相互作用。

图： 1D 和2D CrCl3的扫描隧道显微镜成像；右，1D CrCl3纳米线原子结构模型

        在该工作中，实验人员在范德华磁性材料CrCl3的基础上，运用原位化合物分子束外延生长的技术，在vdW超导体NbSe2的表面上实现了一维CrCl3纳米线、及其堆叠阵列的首次制备。结合自旋分辨的扫描隧道显微学和第一性原理计算，发现一维CrCl3纳米线是由共面的CrCl6八面体组成，表现为一种具有较宽带隙的Neel型反铁磁自旋链。并且该工作还实现了在CrCl3纳米线阵列中的1D-2D可控维度转换，这种维度转化一定程度上可以认为是伴随着磁性基态的相变。该工作对这一新奇的实验发现开展了机理探究，揭示了界面vdW耦合对初期生长条件下的末端/边界的不同生成焓降低作用，是控制维度转换的关键机制。这一发现刷新了领域内对vdW外延机理的理解，并为一维结构的vdW界面调制提供了新思路。
       该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、中科院战略性先导科技专项的支持。
       文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38175-4
          文章来源：武汉大学
       张晨栋，武汉大学物理科学与技术学院教授、博士生导师，2005年安徽大学物理系获得学士学位，2011年中国科学院物理研究所毕业获博士学位，毕业后于美国得科萨斯大学奥斯汀分校从事博士后研究。主要从事表面物理、低维量子体系如二维范德瓦尔斯材料方面的研究。