仪器情报，科学家首次在扭曲双三层CrI3材料中取得最新发现！

【科学背景】

扭曲van der Waals（vdW）磁体如氟化铬CrI3最近成为研究的焦点，其展示了通过局部堆叠顺序控制自旋自由度的潜力。与扭曲量子电子材料不同，扭曲磁体依赖于调控的磁性相互作用来实现非常规磁性序和自旋激发。然而，尽管已有研究集中在探索扭曲CrI3的基态磁性序，但对于单个莫尔超晶胞内和跨越超晶胞的局部磁性相互作用、自旋动态和磁性相变的全面理解仍然有所欠缺。

针对这一挑战，密歇根大学安娜堡分校物理系Liuyan Zhao教授以及美国加利福尼亚大学圣迭戈分校物理系Chunhui Rita Du教授合作提出了利用扫描单自旋磁探测技术来解决这些问题。他们利用这一平台观测了小角度扭曲双三层CrI3中莫尔磁性的静态磁化和动态自旋涨落，跨越了二阶磁性相变点。

研究结果显示，在这种结构中，单个莫尔超晶胞内的铁磁区域表现出明显高于反铁磁区域的居里温度，这是由于堆叠顺序调制的层间交换耦合在空间和热力学上引起的相分离效应所致。这一发现为理解扭曲CrI3中复杂的磁性现象提供了新的见解，并突显了扭曲工程作为调节磁性响应的有效工具，可能推动二维电子应用领域的新发展。

【科学亮点】

（1）实验首次利用扫描单自旋磁探测技术，观测了扭曲双三层CrI3中莫尔磁性的静态磁化和动态自旋涨落。

（2）实验通过测量温度依赖的自旋涨落，揭示了在小角度扭曲的双三层CrI3中存在两个明显的磁性相变，分别对应具有分离临界温度的铁磁态和反铁磁态。具体结果如下：

• 使用扫描单自旋磁探测平台，首次观察到小扭角双三层CrI3中单个莫尔超晶胞内铁磁区域的高居里温度，达到约58K，比相应反铁磁区域的48K高出约10K。

• 通过平均场理论模型解释，发现这种空间和热力学相分离归因于扭曲界面上的堆叠工程交换耦合。

• 在中间温度区域（48K至58K），观察到纳米尺度的共存顺磁-铁磁相，这种现象在大扭角扭曲情况下不存在。

【科学图文】

图1：tDT CrI3的莫尔超晶格。

图2：对小扭角tDT CrI3进行扫描单自旋磁探测测量。

图3：对0.15°小扭角tDT CrI3进行NV自旋弛豫测量的自旋涨落。

图4：在小扭角tDT CrI3中形成的铁磁域的居里温度增加。

图5：在小扭角tDT CrI3中形成的铁磁域的居里温度增加。

【科学启迪】

以上研究不仅深化了对扭曲vdW磁体中莫尔磁性的理解，还揭示了通过扭曲工程调控局部磁性响应的新途径。实验首次利用高分辨率的扫描单自旋磁探测技术，准确测量了小角度扭曲双三层CrI3中的磁性相变和自旋动态，发现了具有分离临界温度的铁磁和反铁磁相。这些发现不仅在理论上得到了平均场模型的验证，还突显了莫尔超晶格内部的空间和热力学相分离机制，由扭曲界面上的堆叠工程调控引起。这一成果不仅有助于深入理解扭曲vdW磁体中的非常规磁性序和自旋激发，还为开发新型二维磁性材料提供了实验和理论基础。通过量子计量工具的应用，我们不仅揭示了莫尔磁性中的奇异自旋相关现象，还为探索和设计相关磁性量子物态开辟了新的前景。这些发现不仅推动了基础研究的边界，也潜在地为下一代磁性和自旋电子器件的发展提供了新的理论和技术支持。

原文详情：Li, S., Sun, Z., McLaughlin, N.J. et al. Observation of stacking engineered magnetic phase transitions within moiré supercells of twisted van der Waals magnets. Nat Commun 15, 5712 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49942-2