硫化铬溴化物结晶成薄层，可以剥离并堆叠以制造纳米级器件。哥伦比亚大学的研究人员发现，这种材料的电子和磁性是联系在一起的——这一发现可以实现基础研究以及自旋电子学的潜在应用。图片来源：韩明根、朱毅梅
计算机中的信息通过电子的运动通过半导体传输，并存储在磁性材料中电子自旋的方向上。为了缩小器件，同时提高其性能-这是一个名为自旋电子学（“自旋电子学”）的新兴领域的目标，研究人员正在寻找结合两种量子特性的独特材料。哥伦比亚大学的一个化学家和物理学家团队在《自然材料》杂志上发现，在一种名为硫化铬溴化物（CrSBr）的材料中，电子传输和磁性之间存在很强的联系。
CrSBr是在化学家Xavier Roy的实验室中创造的，是一种所谓的范德华晶体，可以剥离成可堆叠的2D层，只有几个原子薄。与被氧气和水迅速破坏的相关材料不同，CrSBr晶体在环境条件下是稳定的。这些晶体在相对较高的-280F温度下也保持其磁性，避免了将昂贵的液氦冷却至-450F温度的需要，
“CrSBr比其他2D磁体更容易使用，这使我们能够制造新颖的设备并测试其性能，”罗伊实验室的博士后Evan Telford说，他于2020年毕业于哥伦比亚大学，获得物理学博士学位。去年，华盛顿大学的同事Nathan Wilson和Xiaodong Xu以及哥伦比亚大学的Xiaoyang Zhu发现了磁性与CrSBr对光的反应之间的联系。在目前的工作中，Telford领导了探索其电子特性的努力。
该团队使用电场来研究不同电子密度，磁场和温度的CrSBr层 – 可以调整不同的参数以在材料中产生不同的效果。随着CrSBr中的电子特性发生变化，其磁性也发生了变化。
“半导体具有可调的电子特性。磁铁具有可调自旋配置。在CrSBr中，这两个旋钮是组合在一起的，“罗伊说。“这使得CrSBr对基础研究和潜在的自旋电子学应用都具有吸引力。
Telford解释说，磁性是一种难以直接测量的特性，特别是当材料的尺寸缩小时，但是很容易用称为电阻的参数来测量电子的移动方式。在CrSBr中，电阻可以作为其他不可观测磁态的代理。“这非常强大，”罗伊说，特别是当研究人员希望有朝一日用这种2D磁铁制造芯片时，这些芯片可用于量子计算，并在狭小的空间内存储大量数据。
Telford说，材料的电子和磁性特性之间的联系是由于层中的缺陷 – 对于团队来说，这是一个幸运的突破。“人们通常想要’最干净’的材料。我们的晶体有缺陷，但没有这些缺陷，我们就不会观察到这种耦合，“他说。
从这里开始，罗伊实验室正在试验如何种植具有故意缺陷的可剥离范德华晶体，以提高微调材料性能的能力。他们还在探索不同的元素组合是否可以在更高的温度下发挥作用，同时仍然保留这些有价值的组合特性。
