混合鹵化物可以用來控制超薄磁性器件中的磁化

幾十年來，物理學家，化學家和材料科學家們一直在探索分層磁性材料的本質，尋找這些材料特性的線索，這些材料比它們看起來更複雜。

分層材料的結構與書的結構類似。從遠處看，它看起來像一個三維物體，但是當仔細檢查時，它是由許多平面的二維片材堆疊而成，類似於書頁。

在過去十年中，科學家們一直在尋求分層磁性材料的「剝落層」，這是一種將材料系統地切割直到單個原子薄片被隔離的過程。

磁性分層材料的單層原子薄片使得研究人員可以製造原子級扁平的超薄磁性器件。例如，科學家們構建了超薄的「磁存儲器」 - 單原子薄片，其中信息以原子磁化的方向取向存儲。

過去氯化鉻和溴化鉻作為具有面內和面外磁化的過渡金屬鹵化物而得名。波士頓學院的研究人員們發現了一種製造混合鹵化物的方法，混合鹵化物中包含這兩個鹵化物中的所有成分。這種「混合鹵化物化學」的結果是氯化鉻和溴化物的組合，其中氯與溴的比例的調整可以連續變化。該團隊在調整比例時觀察到從面內到面外的磁性連續變化。圖中顯示了具有不同氯與溴比例的鉻混合鹵化物的小晶體。（圖片來源：Fazel Tafti，波士頓學院）

分層材料的磁化通常平行於或垂直於原子平面取向。換句話說，磁化傾向於指向「面內」或「面外」 - 表示所謂的磁各向異性。

到目前為止，科學家們只知道磁各向異性的面內或面外極限。換句話說，控制磁化取向的能力僅由各向異性的兩個參數定義。

在Advanced Materials的一份新發表的論文（「Controlling Magnetic and Optical Properties of the van der Waals Crystal CrCl3-xBrx via Mixed Halide Chemistry」）中，波士頓學院的研究人員門證明，磁各向異性可以在面內和面外兩個極限之間連續調整，該團隊報告說，它成功地將磁化指向任何空間方向而不是僅在面內或面外，這在超薄磁性設備領域取得了這一進步。

「除了磁化方向，我們的團隊還表明，這些分層材料的所有特性，包括光吸收，層間距離和磁轉變溫度都可以連續控制到任何所需的值，」 論文的第一作者、波士頓學院物理學助理教授Fazel Tafti說。「這是調整光學和磁性設備行業材料特性的一個進步。」

為了製作這種材料，由Tafti和波士頓學院物理學副教授Kenneth Burch領導的團隊開發了一種「混合鹵化物化學」方法，研究人員將不同的鹵化物原子（如氯或溴）結合在過渡金屬（如鉻）周圍。

通過調整氯與溴的相對組成，研究人員能夠在原子水平調整一種稱為自旋-軌道耦合內部參數，這一參數是磁各向異性的來源，Tafti說。

該團隊報告稱，調整方法允許在原子水平上設計自旋 - 軌道耦合量和磁各向異性的方向。

Tafti說，推進這些類型的材料將成為下一代超薄磁性設備的基礎。將來，這些設備可能有一天會取代目前使用的晶體管和電子晶元。 Tafti表示，由於它們的原子尺度，進一步的進步可能會縮小磁性設備的尺寸，因為功能允許磁化信息在這些原子級平面上組成。

「從這裡開始，我們將繼續通過製造鉻以外的過渡金屬的混合鹵化物來推動磁性分層材料的前進，」Tafti說。「我們的團隊證明了混合鹵化物不僅限於鉻，而且可以推廣到20多種其他過渡金屬。該項目的聯合負責人Kenneth Burch試圖人為地連接不同的磁性層，因此一層的性質可以影響相鄰層。這種超材料可以根據相鄰層中的磁化方向改變光在一層中的傳播，反之亦然 - 這種屬性被稱為磁光效應。

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