Возникающий собственный магнетизм в двумерных материалах: теория и применения

Собственный магнетизм в двумерных (2D) материалах, вплоть до толщины в один атомный слой, долгое время оставался предметом активных исследований. Однако лишь недавно собственный магнетизм монослойных CrI3, Fe3GeTe2, FePS3 и VSe2, а также бислойного Cr2Ge2Te6, был экспериментально подтверждён с помощью оптических измерений, рамановской спектроскопии и традиционных магнитометрических измерений. Среди этих материалов внутрислойное обменное взаимодействие в FePS3 является антиферромагнитным, тогда как во всех остальных материалах оно ферромагнитное. Большинство ферромагнитных упорядочений в этих материалах обусловлено сверхобменными взаимодействиями. Монослойные Fe3GeTe2 и VSe2 обладают металлическими свойствами, тогда как остальные материалы являются полупроводниками или диэлектриками. Стабильная спонтанная намагниченность может существовать в этих монослойных 2D-материалах благодаря их сильной анизотропии. Анизотропия преимущественно обусловлена сильным спин–орбитальным взаимодействием с участием тяжёлых атомов в CrI3, Cr2Ge2Te6 и Fe3GeTe2. Асимметричная деформация кристаллической решётки в FePS3 или повышенная плотность состояний вблизи уровня Ферми в VSe2 также могут вносить вклад в анизотропию. Связь между анизотропией и стабильной спонтанной намагниченностью обсуждается на основе теории спиновых волн и теоремы Мермина–Вагнера. Что касается применений, наиболее непосредственную пользу может получить спинтроника. С учётом связи между электропроводностью и магнитной структурой широко исследуются также применения, связанные с транспортными свойствами. Аналогично, поскольку в этих магнитных 2D-материалах ярко выражена связь между спином, фононами и фотонами, перспективными являются применения, основанные на магнитокалорическом и магнитооптическом эффектах. Эти магнитные 2D-материалы также могут использоваться в качестве катализаторов для расщепления воды или электродов суперконденсаторов.