近日，安徽大學楊蒙蒙教授、中國科學技術大學李倩研究員以及合作者開發了一種反鐵磁-鐵磁相變成像法，讓反鐵磁磁疇的成像手段得到拓展，也為二維磁體的磁各向異性提供了重要見解。
未來可以將這種方法推廣應用到其他反鐵磁材料之中，從而給反鐵磁磁疇的直接成像提供新思路。
鉻硫溴，是本次研究中的「材料主角」。如能通過一些方法把它的相變溫度提高到室溫，再結合該材料的半導體特性，即可用於自旋電子學存儲器件之中。
圖 | 從左至右依次為：裴方方、劉大象、李倩研究員、余晶晶、楊蒙蒙教授、袁亞楠（來源：資料圖）
從法國物理學家路易·奈爾說起
法國著名物理學家路易·奈爾（Louis Néel），是 1970 年的諾貝爾物理學獎。他在研究反鐵磁性上取得了重要成果，被稱為「反鐵磁材料之父」。但其曾表示「反鐵磁是有趣但是無用的」，這是因為最初反鐵磁材料僅被當做交換偏置的釘扎層，來用於磁存儲器件之中，也就是說此前它一直處於配角的位置。
近年來，人們發現反鐵磁兼具凈磁矩為零、共振頻率超快等特點。相比鐵磁性材料，當同樣處於外磁場的條件下，由於擁有上述本徵磁學性質，讓反鐵磁具有更好的魯棒性、以及更快的響應速度。
基於此，學界發展了以反鐵磁材料為基礎的反鐵磁自旋電子學。但是，想要翻轉反鐵磁的自旋方向並非易事。
對於傳統反鐵磁材料例如氧化鎳、氟化亞鐵等材料來說，它們的自旋翻轉場位於幾個特斯拉到幾十個特斯拉的量級。
因此，人們關注的問題是：如何在一個小磁場之下改變反鐵磁的自旋方向；以及如何在同一個材料裡面實現反鐵磁-鐵磁轉變。
自從人們於 2007 年發現二維材料中也有磁長程有序以來，層狀二維材料得到了廣泛的研究。其中，鉻硫溴這種二維反鐵磁材料一直是一個研究熱點。
作為一種 A 型反鐵磁半導體，鉻硫溴具有良好的空氣穩定性，它的反鐵磁相變溫度也比較高。
該材料的另一特殊之處在於：它的外型呈現為長條狀，面內的晶軸 a 和晶軸 b 正好對應於長條的長邊和短邊。磁化易軸在晶軸 b 軸，轉變場也比較小。
結合磁光克爾顯微鏡和密度泛函理論計算，楊蒙蒙、李倩團隊在本次工作之中，針對鉻硫溴的反鐵磁-鐵磁轉變加以研究，發現在鉻硫溴之中擁有與不同磁相相關的反常磁光各向異性。
在不同的磁序條件下，這種獨特的磁光特性會帶來不同的各向異性光學反射率，從而可以針對磁場之下的反鐵磁-鐵磁轉變，實現動態過程的直接成像。
在磁光克爾顯微鏡的幫助之下，研究團隊不僅對磁疇成核和擴散過程加以成像，並確定了反鐵磁-鐵磁轉變過程中的中間自旋翻轉態。
這種獨特的磁光特性、以及鉻硫溴中反鐵磁-鐵磁轉變的相變動力學過程，意味著二維磁性材料在自旋電子領域具有廣泛的應用前景。
事實上，本次課題並不是他們一開始的研究目標，而是從實驗新現象衍生出來的一項研究。
再從反常的磁光效應說起
據介紹，課題組最初拿到鉻硫溴樣品的時候，原本想通過磁光克爾顯微鏡觀察它的磁滯回線和磁疇等信息。
過程中，他們發現了一些反常的磁光效應，於是開始對磁反常效應加以進一步的研究和理論解釋。
在此基礎之上，他們利用這種反常磁光效應，首次在鉻硫溴晶體中觀察到反鐵磁-鐵磁轉變的動態過程，並且發現轉變過程之中存在自旋翻轉中間態。
首先，他們通過磁光克爾效應（MOKE,Magneto-Optical Kerr Effect），在低溫下測出了反常磁光信號。
研究中，課題組使用振動樣品磁強計（VSM，Vibrating Sample Magnetometer）和磁光克爾效應，研究了鉻硫溴的宏觀磁化隨磁場的變化。
通過 VSM 測量得到的 M-H 曲線，清晰地顯示了鉻硫溴的各向異性磁晶性質，其中面內 b 軸為易軸，面內 a 軸為次易軸，面外 c 軸為次硬軸。
在鉻硫溴的 Néel 溫度（TN~132K）以下，VSM 測量結果顯示出了磁滯回線的反對稱形狀。例如在相反的飽和磁場之下，出現相反的飽和磁化。
而來自相同的鉻硫溴晶體的克爾信號，顯示了幾乎對稱的回線形狀。例如在相反的飽和磁場之下，出現了相同的飽和克爾值。
這些結果證實：在 TN 溫度以下，鉻硫溴的克爾信號主要來源於相鄰層間的反鐵磁態或鐵磁態，而不是凈磁化符號。
換句話說，與鉻硫溴的反鐵磁態-鐵磁態躍遷相對應的磁有序態相比，那些沿一個軸的磁化符號，對於克爾信號的貢獻要小得多。
圖 | 鉻硫溴的晶體結構與磁光性質（來源：Advanced Functional Materials）
接著，該團隊通過改變線偏振光偏振方向，研究了塊體鉻硫溴面內磁光各向異性反射率。
為進一步探究線偏振光的偏振態和磁序，以及晶軸之間的相互作用關係，他們設計了一組垂直放置的鉻硫溴樣品，以排除入射光偏振相關的強度變化背底。
結果發現：鉻硫溴樣品在不同磁相中，其入射光在不同偏振角下的各向異性反射率都表現出明顯的 cos2φ 依賴性，這證實了鉻硫溴的單軸各向異性光學特性。
而為了探究鉻硫溴中反鐵磁態-鐵磁態相變所導致的偏振相關反射率，他們測量了沿 b 軸掃場時在不同偏振角下的反射強度。
測量結果顯示：在 φ=0° 時，反射率與磁場的關係不大；隨著 φ 的增大，反射率表現出明顯的磁場依賴性，這也與前面測出的反常磁光克爾效應的磁滯回線幾乎相同。
圖 | 反鐵磁態、鐵磁態和順磁態的各向異性反射率（來源：Advanced Functional Materials）
隨後，他們使用密度泛函理論，計算了鉻硫溴的磁光特性。具體來說，課題組邀請中國科學技術大學高陽教授幫忙做理論計算，藉此計算了鐵磁態和反鐵磁態狀態下的能帶結構，並發現這與之前的研究結果一致。
接著，他們又在數值上證實了 σab=0，發現和對稱性分析結果互相符合。然後，他們計算了在鐵磁態和反鐵磁態狀態下，σaa 和 σbb 的實部和虛部隨光子能量的函數。
通過此他們發現鐵磁態狀態下的反射率，總是大於反鐵磁態狀態下的反射率。具體來說：鐵磁態和反鐵磁態的反射率，會隨著入射光偏振角的增大而減小。
其中，在 φ=0° 處差異較小，在 φ=90° 處差異最大，這一趨勢也與實驗數據十分吻合。
圖 | 鉻硫溴光響應的密度泛函理論計算（來源：Advanced Functional Materials）
最後，他們利用克爾顯微鏡觀察塊體鉻硫溴的反鐵磁態-鐵磁態磁疇轉變。基於獨特的磁光特性，該團隊對鉻硫溴進行了成像，進一步揭示了反鐵磁態-鐵磁態相變的細節。
其還捕獲了從反鐵磁態到鐵磁態的全過程磁疇圖像，這幅圖像展現出了十分豐富的磁疇信息。同時，他們注意到樣品上存在台階，台階代表不同的厚度具有不同的反鐵磁態-鐵磁態相變臨界場。
隨著磁場的增加，鐵磁態疇在樣品邊緣或缺陷附近成核，然後通過疇壁運動擴展，最終鋪滿整個樣品區域。
課題組還注意到一個有趣的現象，即在從黑色到灰色的襯度轉變之前，疇壁運動似乎總是伴隨著一個額外的亮白色襯度。
這一額外的明亮襯度表明，在反鐵磁態-鐵磁態轉變過程中，鉻硫溴層間反鐵磁態自旋可能存在 spin-flop 躍遷（反鐵磁態中的 spin-flop 躍遷，是指當沿兩個亞晶格反鐵磁態中的自旋方向施加磁場時，當磁場增加並超過臨界值時，兩個亞晶格的自旋會突然旋轉，並幾乎垂直於磁場方向排列，從而處於傾斜的自旋翻轉狀態）。
（來源：Advanced Functional Materials）
至此，研究基本畫上句號。前不久，相關論文以《范德華反鐵磁體 CrSBr 中反鐵磁體-鐵磁體相變的直接成像》（Direct Imaging of Antiferromagnet-Ferromagnet Phase Transition in van der Waals Antiferromagnet CrSBr）為題發在 Advanced Functional Materials[1]。
安徽大學碩士研究生余晶晶、中國科學技術大學碩士研究生劉大象、丁震宇是論文共同一作，楊蒙蒙教授、中國科學技術大學李倩研究員以及美國加州大學伯克利分校 Qiu Ziqiang 教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）
對於本工作，審稿人給出了肯定的評價。第一位審稿人評價稱，利用本次技術課題組觀察了磁相變過程中磁疇的成核和演化。
第二位審稿人則表示：「作者使用磁光克爾顯微鏡對二維磁體鉻硫溴的鐵磁、反鐵磁和順磁態進行了全面研究。他們的結果顯示了反鐵磁-鐵磁轉變相變具有空間解析度，並識別了自旋翻轉態。」
基於這一成果，課題組打算針對薄層樣品加以研究，包括對其磁光性能開展測試，以及針對它的磁疇翻轉進行調控。亦有可能從應用角度出發，製備一些基於鉻硫溴材料的器件。
參考資料：
1.Yu, J., Liu, D., Ding, Z., Yuan, Y., Zhou, J., Pei, F., ... & Li, Q.. Direct Imaging of Antiferromagnet‐Ferromagnet Phase Transition in van der Waals Antiferromagnet CrSBr.Advanced Functional Materials, 2307259（2023）. https://doi.org/10.1002/adfm.202307259