近日，中科院合肥研究院强磁场中心陆轻铀课题组、盛志高课题组和孙玉平课题组合作，在范德华力层间弱耦合材料Cr2Ge2Te6的磁畴结构与动力学演化研究中取得重要进展。合作团队利用自主研制的高灵敏高分辨强磁场变温磁力显微镜（MFM），发现在Cr2Ge2Te6单晶相变点附近很窄的温度区间以及很窄的磁场区间内，存在多达八种的具有一定对称性的磁畴结构。该项研究成果在线发表在高影响学刊Materials Characterization上，郭腾飞是论文的第一作者。
根据 Mermin-Wagner-Berezinskii 理论，在一维或二维的各向同性体系中，热起伏会强烈地抑制长程电子序，导致铁磁或反铁磁在低维材料中无法形成，最近的一些研究发现少数层并且各向异性的 Cr2Ge2Te6中存在长程磁有序，相关的磁结构成像研究虽也发现了一些磁畴图像，但数据较少，所呈现的磁结构类型也不够丰富与精细。到目前为止，学界仍然缺乏有关二维铁磁材料的微观磁畴结构及其对称性知识，特别是其在相变温度附近磁畴随外磁场与温度演化行为的精细测量。
陆轻铀课题组近期自主研制成功首个高灵敏度高分辨强磁场变温磁力显微镜，甚至可分辨“单个单胞层差”所产生的磁结构差异（见Nano Letters 2020:20,2468-2477）。借助该显微镜，对层状材料Cr2Ge2Te6进行了精密的磁结构成像测量及其演化过程研究。表征结果揭示：在相变温度点附近窄至2K的温度区间内及窄至0.07T的外磁场范围内，样品存在多达8种类型具有不同对称性与尺寸的磁畴结构（图1），它们之间是可以相互转化与调控的，相应的动力学过程可以通过连续播放的图像进行视频展现（图2）。如此窄的温度区间以及磁场区间存在条件也是它们难以被发现的一个原因。
该八种磁畴结构中的部分磁畴结构有可能只存在于层状材料中，例如可根据周边磁畴分布情况来调节自己尺寸的“自适应”碟状磁畴（self-fitting disks），以及“Y”形畴壁中存在的“阶梯状”精细结构（fine ladder structure within Y-connected walls）等，三维块体材料中有关这些类型磁畴结构还未见有报道。除此之外，几乎按照正六边形排列分布的点状磁畴可随着外磁场的变化慢慢演化成环形，并像水波一样扩散演化，最终演化成蜂窝状并有新的点畴存在于每个六边形小室的中心位置，如同形成驻波（即自旋波的驻波）。对所述这8类电子相相互转化行为的成像研究基础上，科研人员绘出了其相图（图1）。
这些存在于Cr2Ge2Te6单晶中的新奇磁畴结构及其拓扑演化行为，对于层状范德华力作用材料或低维材料的磁学研究至关重要。这些丰富电子相结构的发现，将为低维材料磁学理论研究与高密度磁存储、磁传感器等重要应用研究提供坚实的基础。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580321000437
图1：八种电子相结构（左）及其相图（右）
图2：（左）0T时磁畴随温度的演化过程；（右）69.9K时磁畴随磁场的演化过程
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