自2017年二維（2D）磁體問世以來，二維磁體取得了飛速的發(fā)展。這些二維磁體的二維屬性，以原子級(jí)厚度為特征，使得它們具有很強(qiáng)的磁各向異性、層數(shù)相關(guān)和可切換磁序，以及存在量子約束的擬粒子。這些獨(dú)特特征將它們與傳統(tǒng)的三維（3D）磁性材料區(qū)分開來。此外，2D幾何結(jié)構(gòu)使它們能夠高效地與光相互作用，使其非常適合于光自旋電子學(xué)應(yīng)用和潛在的芯片集成。

鑒于此，近日來自武漢大學(xué)于霆教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials上以Lightning the Spin: Harnessing the Potential of 2D Magnets in Opto-Spintronics為題發(fā)表綜述文章，文章基于與2D磁體相互作用的光波長(zhǎng)將光自旋電子學(xué)分為三種類型：（1）GHz到THz、（2）可見光、以及（3）紫外線到X射線，文章深入研究了有關(guān)2D磁體中新發(fā)現(xiàn)的光-自旋相互作用機(jī)制的最新研究突破，并介紹了基于這些相互作用構(gòu)建潛在光自旋電子學(xué)應(yīng)用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念。

圖1. 基于二維磁體的光自旋電子學(xué)。

圖源：Advanced Materials (2023).

與傳統(tǒng)三維磁性材料不同，二維磁體是具有非常薄厚度的材料，通常僅有一至數(shù)個(gè)原子層的厚度。這使得它們?cè)诖怪庇谄矫娴木S度上變得非常有限，但在平面內(nèi)卻保持了出色的二維結(jié)構(gòu)。

這種二維結(jié)構(gòu)賦予了二維磁體強(qiáng)烈的平面各向異性。在二維平面內(nèi)，二維磁體的性質(zhì)會(huì)受到強(qiáng)烈的約束，而在垂直于平面的方向上則表現(xiàn)出完全不同的性質(zhì)。這一性質(zhì)在磁性材料中是非常罕見的，因此二維磁體引發(fā)了廣泛的研究興趣。

二維磁體通常表現(xiàn)出比一維和三維磁體更強(qiáng)大的磁性。這種強(qiáng)大的磁性源于二維磁體中獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和交換相互作用，這些交換相互作用在二維平面內(nèi)有著特殊的規(guī)則。

除了磁性，二維磁體還展現(xiàn)出許多其他引人注目的性質(zhì)。其中之一是它們的電學(xué)性質(zhì)。二維磁體通常表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，這使得它們具有電子學(xué)應(yīng)用的巨大潛力。這種半導(dǎo)體性質(zhì)可以用于制備磁性晶體管和其他自旋電子學(xué)器件，這些器件可以在信息存儲(chǔ)和處理中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

此外，二維磁體還展示了強(qiáng)烈的光學(xué)性質(zhì)。由于它們的二維結(jié)構(gòu)，二維磁體對(duì)光的吸收和散射表現(xiàn)出獨(dú)特的特性，這對(duì)于制備光學(xué)器件和光學(xué)傳感器具有巨大潛力。二維磁體可以用于磁性存儲(chǔ)技術(shù)，這可以實(shí)現(xiàn)更高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此外，它們還可以用于制備自旋電子學(xué)器件，用于信息傳輸和處理。這些應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛涵蓋使得二維磁體成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

常見的二維磁體材料包括：

二維過渡金屬二硫化物（2D TMDs）：包括二維硫化鉬（MoS2）、硫化鎢（WS2）等。這些材料具有層狀結(jié)構(gòu)，其中過渡金屬原子形成磁性；

二維鐵磁體：例如二維鐵磷化物（FePS3）、二維鐵碘化物（FeI2）、二維鐵氧化物（Fe2O3）等。這些材料具有特殊的鐵磁性質(zhì)；二維鐵基超導(dǎo)體：包括鐵基超導(dǎo)體，如鐵硒化物（FeSe）、鐵碲化物（FeTe）等。這些材料在超導(dǎo)性和磁性之間存在相互作用；

二維拓?fù)浣^緣體：某些二維拓?fù)浣^緣體材料，如拓?fù)浣^緣體（TI）和拓?fù)浣^緣體（TMD），也可以表現(xiàn)出磁性。

二維拓?fù)浯判裕哼@些是一類擁有拓?fù)浯判孕再|(zhì)的二維材料，如拓?fù)浣^緣體的磁性表面態(tài)。

圖2.二維磁體的磁各向異性以及各種磁結(jié)構(gòu)。

圖源：AdvancedMaterials (2023).

在自旋電子學(xué)中，自旋輸運(yùn)是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。二維磁體的自旋輸運(yùn)性質(zhì)具有許多獨(dú)特之處。由于其二維結(jié)構(gòu)，自旋在平面內(nèi)的傳播受到了嚴(yán)格的約束，這使得自旋輸運(yùn)過程表現(xiàn)出獨(dú)特的量子效應(yīng)。這為自旋電子學(xué)提供了一個(gè)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以用來研究自旋輸運(yùn)的基本原理。

通過精確控制電子的自旋，我們可以在材料中創(chuàng)建自旋電流，這種自旋電流可以用來傳輸信息。自旋傳輸有望在電子學(xué)中引入全新的范式，例如自旋晶體管和自旋邏輯門，這些設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)更高效的能源利用和更小的尺寸。此外，自旋電子學(xué)還具有巨大的潛力用于量子計(jì)算。由于自旋是一個(gè)量子屬性，可以表示為量子位，因此自旋電子學(xué)可以用來實(shí)現(xiàn)量子比特，這是量子計(jì)算中的基本單元。這為我們提供了利用自旋來進(jìn)行超高速計(jì)算的可能性，可以解決傳統(tǒng)計(jì)算無法解決的問題。

在電學(xué)方面，二維磁體通常表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，這意味著它們可以用于制備自旋電子學(xué)器件，如自旋晶體管和自旋邏輯門。這些器件可以實(shí)現(xiàn)更高效的能源利用和更快速的自旋信息傳輸，為未來的信息技術(shù)提供了巨大的潛力。

由于其二維結(jié)構(gòu)，二維磁體對(duì)光的吸收和散射表現(xiàn)出特殊的特性，這對(duì)于制備光學(xué)器件和光學(xué)傳感器具有巨大潛力。這些光學(xué)性質(zhì)可以用于制備自旋電子學(xué)器件和磁光器件，從而實(shí)現(xiàn)自旋信息的光學(xué)控制和讀取。二維磁體可以用于磁性存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此外，它們還可以用于制備自旋電子學(xué)器件，如自旋波導(dǎo)和自旋電子激元，這些器件可以用于信息傳輸和處理。

圖3. 二維磁性半導(dǎo)體CrSBr的磁序與電子能帶間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖源：Advanced Materials (2023).

同時(shí)，光自旋電子學(xué)可以用來操控斯托克斯力，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)光學(xué)開關(guān)和光學(xué)器件非常重要。二維磁體在這方面的應(yīng)用可能帶來創(chuàng)新的光學(xué)控制方式。二維磁體中的量子自旋態(tài)具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，可能用于量子信息處理和量子通信領(lǐng)域。這為開發(fā)量子計(jì)算和通信技術(shù)提供了新的機(jī)會(huì)。

總之，二維磁體在光自旋電子學(xué)中的應(yīng)用前景非常廣闊，將為光學(xué)通信、量子技術(shù)、信息處理和材料科學(xué)領(lǐng)域帶來重大創(chuàng)新。未來的研究和技術(shù)發(fā)展將進(jìn)一步揭示這些材料的潛力，為我們的科技未來開辟新的道路。? ? ? ? ?

參考文獻(xiàn)：Sheng Liu, Iftikhar Ahmed Malik, Vanessa Li Zhang, Ting Yu.?Lightning the Spin: Harnessing the Potential of 2D Magnets in Opto-Spintronics. Advanced Materials (2023).

?https://doi.org/10.1002/adma.202306920