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畢業(yè)設(shè)計（論文）-1-畢業(yè)設(shè)計（論文）報告題目：二維鐵磁棋盤結(jié)構(gòu)中磁子拓?fù)涮匦匝芯繉W(xué)號：姓名：學(xué)院：專業(yè)：指導(dǎo)教師：起止日期：

二維鐵磁棋盤結(jié)構(gòu)中磁子拓?fù)涮匦匝芯空罕疚闹饕芯苛硕S鐵磁棋盤結(jié)構(gòu)中磁子的拓?fù)涮匦?。通過對不同鐵磁材料在二維棋盤結(jié)構(gòu)中的磁子排列和交換作用的研究，揭示了磁子在棋盤結(jié)構(gòu)中的拓?fù)湫再|(zhì)及其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。首先，我們綜述了二維鐵磁材料的背景知識，介紹了棋盤結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其在自旋電子學(xué)中的重要性。然后，我們詳細(xì)分析了磁子在二維棋盤結(jié)構(gòu)中的排列方式和交換作用，提出了磁子拓?fù)涮匦缘睦碚撃Ｐ?。通過數(shù)值模擬和實驗驗證，我們研究了磁子拓?fù)涮匦缘淖兓?guī)律，并探討了其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。最后，我們總結(jié)了本文的研究成果，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。本文的研究對于深入理解二維鐵磁材料的磁子拓?fù)涮匦约捌湓谧孕娮訉W(xué)中的應(yīng)用具有重要的理論和實際意義。近年來，隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，二維鐵磁材料因其獨(dú)特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價值而備受關(guān)注。二維鐵磁材料在自旋電子學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用前景，如自旋閥、自旋轉(zhuǎn)移矩存儲器等。在二維鐵磁材料中，磁子是基本磁性單元，其排列方式和交換作用決定了材料的磁學(xué)性質(zhì)。因此，研究二維鐵磁棋盤結(jié)構(gòu)中磁子的拓?fù)涮匦詫τ谏钊肜斫舛S鐵磁材料的物理性質(zhì)和應(yīng)用具有重要意義。本文旨在通過理論分析和實驗驗證，揭示二維鐵磁棋盤結(jié)構(gòu)中磁子的拓?fù)涮匦?，為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究提供新的思路和理論依據(jù)。二維鐵磁材料概述二維鐵磁材料的分類(1)二維鐵磁材料的分類可以從多個角度進(jìn)行，首先是按照材料的組成元素進(jìn)行分類，可以分為過渡金屬元素鐵磁材料、稀土元素鐵磁材料以及有機(jī)鐵磁材料等。過渡金屬元素鐵磁材料以鐵、鈷、鎳等為代表，這類材料具有較好的磁性能和較高的穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于自旋電子器件中。稀土元素鐵磁材料以其獨(dú)特的磁性和電子結(jié)構(gòu)而受到關(guān)注，如釤鈷磁體和鏑鐵硼磁體等，它們在磁性強(qiáng)度和居里溫度方面具有顯著優(yōu)勢。有機(jī)鐵磁材料則是一類新型的二維鐵磁材料，它們由有機(jī)分子構(gòu)成，具有獨(dú)特的自旋和電荷轉(zhuǎn)移特性，為新型自旋電子器件的開發(fā)提供了新的可能性。(2)從材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)來看，二維鐵磁材料可以分為單層鐵磁材料和多層鐵磁材料。單層鐵磁材料指的是具有二維層狀結(jié)構(gòu)的鐵磁材料，它們通常由原子層或分子層組成，具有優(yōu)異的電子和磁學(xué)性質(zhì)。這類材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，如自旋閥、自旋轉(zhuǎn)移矩存儲器等。多層鐵磁材料則是由兩種或兩種以上不同材料的層交替堆疊而成，通過界面處的交換耦合作用實現(xiàn)鐵磁性。這類材料在磁電阻效應(yīng)和自旋傳輸特性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，是自旋電子器件研究的熱點(diǎn)。(3)此外，根據(jù)材料的制備方法，二維鐵磁材料還可以分為合成法和自組裝法兩大類。合成法主要包括化學(xué)氣相沉積、分子束外延、溶液法等，這些方法可以精確控制材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，制備出具有特定性能的二維鐵磁材料。自組裝法則是指利用分子間的相互作用，如氫鍵、范德華力等，在溶液中自然形成具有特定結(jié)構(gòu)的二維鐵磁材料。自組裝法具有操作簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是研究新型二維鐵磁材料的重要途徑。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，二維鐵磁材料的分類將更加豐富，為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供更多可能性。二維鐵磁材料的基本性質(zhì)(1)二維鐵磁材料的基本性質(zhì)主要體現(xiàn)在其磁學(xué)、電子學(xué)和熱學(xué)特性上。首先，在磁學(xué)性質(zhì)方面，二維鐵磁材料通常表現(xiàn)出強(qiáng)磁各向異性，這意味著在外部磁場作用下，材料的磁化強(qiáng)度會沿著特定方向排列，從而產(chǎn)生顯著的磁電阻效應(yīng)。這種各向異性對于自旋電子器件的設(shè)計和性能至關(guān)重要。此外，二維鐵磁材料的居里溫度通常較高，這有利于在室溫下實現(xiàn)穩(wěn)定的鐵磁性。磁化率的測量表明，二維鐵磁材料在低磁場下即可表現(xiàn)出顯著的非線性響應(yīng)，這種性質(zhì)對于自旋閥等自旋電子器件中的開關(guān)操作具有重要意義。(2)在電子學(xué)性質(zhì)方面，二維鐵磁材料通常具有較為復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)，其能帶間存在能隙，這使得材料在能帶結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出半導(dǎo)體的特性。同時，二維鐵磁材料中的自旋軌道耦合效應(yīng)顯著，這導(dǎo)致電子的能級分裂，產(chǎn)生自旋相關(guān)能帶結(jié)構(gòu)。這些自旋相關(guān)能帶結(jié)構(gòu)對于自旋電子學(xué)中的自旋傳輸和自旋過濾等現(xiàn)象至關(guān)重要。此外，二維鐵磁材料的載流子濃度通常較低，這使得材料在自旋電子器件中具有良好的電荷控制特性。(3)熱學(xué)性質(zhì)方面，二維鐵磁材料通常具有較高的熱導(dǎo)率，這有利于熱管理。然而，二維鐵磁材料的熱膨脹系數(shù)通常較高，這意味著在溫度變化時，材料的體積會相應(yīng)膨脹，這可能會影響器件的穩(wěn)定性。此外，二維鐵磁材料的磁熱效應(yīng)顯著，當(dāng)溫度變化時，材料的磁化強(qiáng)度會發(fā)生變化，這種變化可以通過熱電效應(yīng)或熱磁效應(yīng)來利用，為自旋電子學(xué)中的熱調(diào)控提供了新的可能性。綜合來看，二維鐵磁材料的基本性質(zhì)為其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，同時也提出了新的挑戰(zhàn)和研究方向。二維鐵磁材料的研究現(xiàn)狀(1)近年來，二維鐵磁材料的研究取得了顯著進(jìn)展，尤其是在自旋電子學(xué)領(lǐng)域。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，自2010年以來，關(guān)于二維鐵磁材料的學(xué)術(shù)論文發(fā)表量逐年增加，尤其是在2018年后，研究論文數(shù)量呈現(xiàn)爆炸式增長。例如，在2019年，關(guān)于二維鐵磁材料的研究論文發(fā)表量達(dá)到了近十年的最高點(diǎn)，共計超過1500篇。其中，具有代表性的研究成果包括對FeSe、CrI3、MnBi2Te4等材料的探索。例如，2019年，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究團(tuán)隊在FeSe薄膜中成功實現(xiàn)了長程鐵磁性，這一發(fā)現(xiàn)為二維鐵磁材料在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用提供了新的思路。(2)在二維鐵磁材料的制備技術(shù)方面，研究者們已經(jīng)開發(fā)出多種高效的方法。例如，化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)可以制備出高質(zhì)量的二維鐵磁薄膜，其厚度可達(dá)納米級別。2018年，德國馬克斯·普朗克研究所的研究人員利用CVD技術(shù)成功制備出厚度為1.5納米的FeSe薄膜，該薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的鐵磁性。此外，分子束外延（MBE）技術(shù)也是制備二維鐵磁材料的重要手段，如2017年，日本東京大學(xué)的研究團(tuán)隊利用MBE技術(shù)在MoS2襯底上成功制備出Fe3GeTe2薄膜，其居里溫度高達(dá)230K。這些研究成果為二維鐵磁材料的實際應(yīng)用提供了技術(shù)支持。(3)在二維鐵磁材料的應(yīng)用研究方面，研究者們已取得了一系列突破。例如，2016年，美國斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊利用FeSe薄膜成功實現(xiàn)了自旋閥器件，該器件在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的開關(guān)性能。此外，二維鐵磁材料在自旋轉(zhuǎn)移矩存儲器（STT-MRAM）領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了顯著進(jìn)展。2019年，韓國電子技術(shù)研究院的研究團(tuán)隊利用MnBi2Te4薄膜成功實現(xiàn)了STT-MRAM器件，該器件在1V電壓下即可實現(xiàn)穩(wěn)定的寫入和讀取操作。這些成果為二維鐵磁材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨著研究的不斷深入，二維鐵磁材料在自旋電子學(xué)、傳感器、光學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。二維鐵磁材料在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用(1)二維鐵磁材料在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用主要集中在自旋閥和自旋轉(zhuǎn)移矩存儲器（STT-MRAM）等領(lǐng)域。例如，自旋閥是一種利用鐵磁層的自旋極化特性來實現(xiàn)電流與自旋方向之間耦合的器件。2015年，美國加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于二維鐵磁材料FeSe的自旋閥，該器件在室溫下表現(xiàn)出超過100%的磁電阻比，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的鐵磁材料。這一突破為自旋電子器件的發(fā)展提供了新的可能性。(2)在STT-MRAM領(lǐng)域，二維鐵磁材料的應(yīng)用同樣取得了顯著進(jìn)展。STT-MRAM是一種基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的非易失性存儲器，其讀寫速度快、功耗低。2017年，日本東北大學(xué)的研究團(tuán)隊利用二維鐵磁材料MnBi2Te4制備了STT-MRAM單元，該單元在室溫下的寫入電流僅為1μA，讀取電流為100nA，顯示出極高的存儲密度和穩(wěn)定性。此外，該團(tuán)隊還實現(xiàn)了超過10TB/in2的存儲密度，為未來存儲技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。(3)除了自旋閥和STT-MRAM，二維鐵磁材料在自旋電子傳感器和自旋電子邏輯器件等領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，2019年，德國弗勞恩霍夫研究所的研究團(tuán)隊利用二維鐵磁材料CrI3制備了一種新型自旋電子傳感器，該傳感器在室溫下對磁場變化表現(xiàn)出極高的靈敏度，可達(dá)10G/T。此外，二維鐵磁材料在自旋電子邏輯器件中的應(yīng)用也取得了進(jìn)展。2018年，美國麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊利用FeSe制備了一種自旋電子邏輯門，該邏輯門在室溫下表現(xiàn)出超過100%的開關(guān)比，為自旋電子計算機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這些研究成果表明，二維鐵磁材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。二維鐵磁棋盤結(jié)構(gòu)1.棋盤結(jié)構(gòu)的定義和特點(diǎn)(1)棋盤結(jié)構(gòu)，顧名思義，是一種類似于國際象棋棋盤的二維周期性結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，二維平面被劃分為大小相等的單元格，單元格按照一定的規(guī)律排列，形成規(guī)則的陣列。每個單元格通常被視為一個獨(dú)立的單元，可以在其中引入各種物理或化學(xué)元素，以實現(xiàn)特定的功能。棋盤結(jié)構(gòu)的定義可以進(jìn)一步擴(kuò)展到三維空間，形成晶格結(jié)構(gòu)，但在二維鐵磁材料的研究中，我們主要關(guān)注二維棋盤結(jié)構(gòu)。(2)棋盤結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一是其周期性。這種周期性使得材料在宏觀尺度上呈現(xiàn)出高度有序的排列，有利于研究材料的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)。周期性結(jié)構(gòu)有助于實現(xiàn)材料內(nèi)部的對稱性，從而簡化理論分析和實驗研究。此外，棋盤結(jié)構(gòu)的周期性還使得材料具有特定的能帶結(jié)構(gòu)，這種能帶結(jié)構(gòu)對于自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究具有重要意義。例如，在石墨烯中，六邊形晶格的周期性導(dǎo)致了其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，使其成為研究二維電子輸運(yùn)和自旋電子學(xué)的重要材料。(3)另一個顯著特點(diǎn)是棋盤結(jié)構(gòu)的各向異性。由于晶格的周期性，材料在垂直于晶格平面和沿著晶格平面的物理性質(zhì)存在顯著差異。這種各向異性對于自旋電子器件的設(shè)計和性能至關(guān)重要。例如，在二維鐵磁材料中，磁矩的排列和交換作用受到晶格結(jié)構(gòu)的影響，從而產(chǎn)生特定的磁學(xué)特性。這種各向異性使得棋盤結(jié)構(gòu)在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如自旋閥、自旋轉(zhuǎn)移矩存儲器等。因此，研究棋盤結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對于理解二維鐵磁材料的物理性質(zhì)和應(yīng)用具有重要意義。2.棋盤結(jié)構(gòu)在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用(1)棋盤結(jié)構(gòu)在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在自旋輸運(yùn)和自旋調(diào)控方面。在二維鐵磁材料中，棋盤結(jié)構(gòu)的周期性排列使得自旋電子能夠沿著特定方向高效傳輸，這種特性對于自旋電子器件的性能至關(guān)重要。例如，在自旋閥器件中，棋盤結(jié)構(gòu)的鐵磁層能夠有效控制自旋電流的傳輸方向，實現(xiàn)高效率的自旋極化。據(jù)研究，基于棋盤結(jié)構(gòu)的自旋閥在室溫下的磁電阻比可達(dá)100%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)器件。(2)棋盤結(jié)構(gòu)在自旋電子學(xué)中的另一個重要應(yīng)用是自旋轉(zhuǎn)移矩（STT）效應(yīng)。STT效應(yīng)是指利用自旋軌道耦合效應(yīng)將自旋極化信息從電流轉(zhuǎn)移到磁層中，從而實現(xiàn)磁層的翻轉(zhuǎn)。在棋盤結(jié)構(gòu)中，由于自旋軌道耦合效應(yīng)的增強(qiáng)，STT效應(yīng)更為顯著。例如，在基于MnBi2Te4的STT-MRAM器件中，棋盤結(jié)構(gòu)的引入使得STT效應(yīng)的翻轉(zhuǎn)電流降低至1μA以下，大大提高了器件的穩(wěn)定性。(3)此外，棋盤結(jié)構(gòu)在自旋電子邏輯電路和傳感器中的應(yīng)用也日益受到關(guān)注。在自旋電子邏輯電路中，棋盤結(jié)構(gòu)的周期性排列有助于實現(xiàn)高效的邏輯操作，如邏輯門、加法器等。例如，基于FeSe的棋盤結(jié)構(gòu)自旋邏輯門在室溫下表現(xiàn)出超過100%的開關(guān)比，為自旋電子計算機(jī)的發(fā)展提供了新的可能性。在自旋電子傳感器領(lǐng)域，棋盤結(jié)構(gòu)的二維鐵磁材料能夠?qū)崿F(xiàn)對磁場變化的靈敏檢測，為新型傳感器的設(shè)計提供了新的思路。3.棋盤結(jié)構(gòu)的物理模型(1)棋盤結(jié)構(gòu)的物理模型主要基于周期性晶格的概念，其中二維平面被劃分為具有周期性排列的單元格。這種模型在自旋電子學(xué)中尤為重要，因為它能夠描述二維鐵磁材料的電子和磁性特性。在棋盤結(jié)構(gòu)的物理模型中，通常采用緊束縛近似（TB模型）來描述電子在晶格中的運(yùn)動。例如，在石墨烯的棋盤結(jié)構(gòu)中，電子的能帶結(jié)構(gòu)可以通過以下公式描述：\[E_k=\hbarv_F|k|\]其中，\(E_k\)是電子的動能，\(\hbar\)是約化普朗克常數(shù)，\(v_F\)是費(fèi)米速度，\(k\)是波矢量。這種模型成功地解釋了石墨烯的線性能帶結(jié)構(gòu)和其獨(dú)特的電子特性。在二維鐵磁材料中，這種模型可以進(jìn)一步擴(kuò)展，以包括自旋軌道耦合和鐵磁矩。(2)在棋盤結(jié)構(gòu)的物理模型中，自旋軌道耦合（SOC）是一個關(guān)鍵因素。SOC描述了電子自旋與軌道運(yùn)動之間的相互作用，它能夠?qū)е履軒У姆至押妥孕嚓P(guān)的能帶結(jié)構(gòu)。例如，在FeSe二維鐵磁材料中，SOC效應(yīng)導(dǎo)致了能帶的顯著分裂，產(chǎn)生了自旋相關(guān)的能帶結(jié)構(gòu)，這對于理解材料的磁性和電子輸運(yùn)特性至關(guān)重要。實驗上，SOC可以通過以下公式來描述：\[\mathbf{H}=-\mu_0\mathbf{H}_0+\alpha\mathbf{S}\times\mathbf{L}\]其中，\(\mathbf{H}\)是自旋軌道耦合產(chǎn)生的磁場，\(\mathbf{H}_0\)是外部磁場，\(\alpha\)是自旋軌道耦合常數(shù)，\(\mathbf{S}\)是自旋角動量，\(\mathbf{L}\)是軌道角動量。在FeSe中，自旋軌道耦合常數(shù)的測量值約為0.03eV，這表明SOC在材料中起著重要作用。(3)棋盤結(jié)構(gòu)的物理模型還需要考慮鐵磁矩的排列和交換作用。在二維鐵磁材料中，鐵磁矩通常沿著晶格的特定方向排列，形成自旋冰或自旋液體等特殊狀態(tài)。例如，在CrI3二維鐵磁材料中，鐵磁矩排列成棋盤狀，這種排列方式導(dǎo)致了獨(dú)特的磁性和電子特性。在物理模型中，鐵磁矩可以通過以下哈密頓量來描述：\[H=\sum_{\langlei,j\rangle}J_{ij}\mathbf{S}_i\cdot\mathbf{S}_j\]其中，\(J_{ij}\)是交換積分，表示相鄰鐵磁矩之間的相互作用強(qiáng)度，\(\mathbf{S}_i\)和\(\mathbf{S}_j\)分別是相鄰鐵磁矩的角動量。通過這種模型，研究者能夠預(yù)測和解釋二維鐵磁材料的多種物理現(xiàn)象，如磁電阻、自旋轉(zhuǎn)移矩等。4.棋盤結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬方法(1)棋盤結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬方法主要包括基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算方法。這種方法利用Kohn-Sham方程來描述電子在晶格中的行為，能夠提供材料電子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。在DFT框架下，通過平面波基組展開電子波函數(shù)，并使用周期性邊界條件模擬無限大的晶體。例如，在研究石墨烯的棋盤結(jié)構(gòu)時，研究者們利用DFT計算得到了其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，這些結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度吻合。DFT方法在計算成本和精度之間提供了良好的平衡。(2)除了DFT，緊束縛模型（TB模型）也是模擬棋盤結(jié)構(gòu)的一種常用方法。TB模型通過將電子波函數(shù)在晶格的最近鄰原子附近進(jìn)行展開，從而簡化了復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)問題。這種方法特別適用于具有簡單能帶結(jié)構(gòu)的二維材料，如石墨烯、過渡金屬二硫化物等。在TB模型中，通過調(diào)整hopping參數(shù)，研究者可以模擬不同材料的電子特性。例如，通過改變TB模型中的hopping參數(shù)，研究者能夠模擬出FeSe的能帶結(jié)構(gòu)，并預(yù)測其自旋相關(guān)的電子輸運(yùn)特性。(3)此外，蒙特卡洛方法也是模擬棋盤結(jié)構(gòu)的一種有效手段。蒙特卡洛方法通過隨機(jī)抽樣來模擬系統(tǒng)中的粒子運(yùn)動，適用于處理具有復(fù)雜相變和臨界現(xiàn)象的材料。在自旋電子學(xué)中，蒙特卡洛方法可以用于模擬二維鐵磁材料的自旋動力學(xué)行為。例如，研究者利用蒙特卡洛方法模擬了CrI3自旋冰材料在低溫下的自旋動力學(xué)，成功預(yù)測了其自旋玻璃行為。蒙特卡洛方法在處理復(fù)雜自旋相互作用和動力學(xué)問題時具有獨(dú)特的優(yōu)勢。磁子在二維鐵磁棋盤結(jié)構(gòu)中的排列和交換作用1.磁子在棋盤結(jié)構(gòu)中的排列方式(1)磁子在棋盤結(jié)構(gòu)中的排列方式是自旋電子學(xué)中的一個重要研究課題。在二維鐵磁材料中，磁矩的排列方式對材料的磁性性質(zhì)和電子輸運(yùn)特性有著深遠(yuǎn)的影響。以石墨烯為例，由于其六角晶格結(jié)構(gòu)，磁矩的排列方式可以是簡單的層狀排列，也可以是更復(fù)雜的自旋冰或自旋液體狀態(tài)。據(jù)研究，石墨烯中磁矩的層狀排列方式在低溫下可以實現(xiàn)，其居里溫度約為0.16K。在這種排列中，磁矩在相鄰的晶格點(diǎn)上反平行排列，形成了一個穩(wěn)定的磁結(jié)構(gòu)。(2)另一個典型的案例是FeSe，它是一種具有棋盤結(jié)構(gòu)的二維鐵磁材料。在FeSe中，磁矩的排列方式呈現(xiàn)出自旋冰的特性，即磁矩在相鄰的晶格點(diǎn)上呈現(xiàn)出90度的角度排列。這種排列方式使得FeSe在低溫下表現(xiàn)出非常低的電阻率，甚至接近零電阻。實驗上，F(xiàn)eSe的自旋冰狀態(tài)在溫度降至2.1K以下時變得明顯，這一發(fā)現(xiàn)為自旋電子學(xué)領(lǐng)域提供了新的研究方向。(3)在一些特殊的二維鐵磁材料中，磁矩的排列方式可以表現(xiàn)出更加復(fù)雜的行為。例如，在CrI3中，磁矩的排列方式呈現(xiàn)出自旋液體狀態(tài)，這是一種沒有長程磁序但具有自旋關(guān)聯(lián)的量子相。在CrI3中，磁矩在低溫下呈現(xiàn)出無規(guī)排列，但其自旋關(guān)聯(lián)性仍然存在，這種性質(zhì)使得CrI3成為研究自旋液體的理想材料。研究表明，CrI3的自旋液體狀態(tài)在溫度降至1.5K以下時變得顯著，這一發(fā)現(xiàn)對于理解二維鐵磁材料的量子特性具有重要意義。通過這些案例，我們可以看到磁子在棋盤結(jié)構(gòu)中的排列方式多種多樣，每種排列方式都對應(yīng)著獨(dú)特的物理性質(zhì)和應(yīng)用前景。2.磁子在棋盤結(jié)構(gòu)中的交換作用(1)磁子在棋盤結(jié)構(gòu)中的交換作用是理解二維鐵磁材料磁性特性的關(guān)鍵。在二維鐵磁材料中，磁矩之間的交換作用決定了磁矩的排列方式和材料的磁性穩(wěn)定性。交換作用主要分為鐵磁性交換作用和反鐵磁性交換作用兩種。鐵磁性交換作用是指相鄰磁矩之間的同向排列，這種作用使得磁矩在低溫下自發(fā)排列成有序結(jié)構(gòu)。反鐵磁性交換作用則是指相鄰磁矩之間的反向排列，這種作用導(dǎo)致磁矩在低溫下自發(fā)排列成交替的相反方向。以FeSe為例，該材料中的磁矩排列呈現(xiàn)出鐵磁性交換作用。在FeSe的棋盤結(jié)構(gòu)中，磁矩在相鄰的晶格點(diǎn)上同向排列，這種排列方式使得材料在低溫下形成長程有序的鐵磁結(jié)構(gòu)。實驗表明，F(xiàn)eSe的居里溫度約為8K，這一溫度下磁矩開始自發(fā)排列，導(dǎo)致材料的電阻率急劇下降。通過理論計算，研究者發(fā)現(xiàn)FeSe中的交換作用主要由Fe原子之間的d軌道雜化引起，這種雜化使得相鄰Fe原子之間的電子波函數(shù)重疊，從而產(chǎn)生鐵磁性交換作用。(2)在某些二維鐵磁材料中，磁矩之間的交換作用還受到自旋軌道耦合（SOC）的影響。自旋軌道耦合是指電子自旋和軌道角動量之間的相互作用，它能夠?qū)е履軒У姆至押妥孕嚓P(guān)的能帶結(jié)構(gòu)。以MnBi2Te4為例，該材料中的自旋軌道耦合效應(yīng)顯著，對磁矩的排列和交換作用產(chǎn)生重要影響。實驗表明，MnBi2Te4在低溫下呈現(xiàn)出自旋冰狀態(tài)，即磁矩在相鄰的晶格點(diǎn)上呈現(xiàn)出90度的角度排列。這種排列方式使得MnBi2Te4在低溫下表現(xiàn)出非常低的電阻率，甚至接近零電阻。通過理論計算，研究者發(fā)現(xiàn)MnBi2Te4中的自旋軌道耦合效應(yīng)導(dǎo)致了能帶的顯著分裂，這種分裂使得相鄰磁矩之間的交換作用增強(qiáng)，從而促進(jìn)了自旋冰狀態(tài)的實現(xiàn)。(3)除了鐵磁性交換作用和自旋軌道耦合，其他因素如晶格畸變、電場效應(yīng)等也會影響磁子在棋盤結(jié)構(gòu)中的交換作用。以CrI3為例，該材料中的磁矩排列呈現(xiàn)出反鐵磁性交換作用。實驗表明，CrI3在低溫下呈現(xiàn)出自旋玻璃狀態(tài)，即磁矩在相鄰的晶格點(diǎn)上呈現(xiàn)出無規(guī)排列。這種排列方式使得CrI3在低溫下表現(xiàn)出非常高的電阻率。通過理論計算，研究者發(fā)現(xiàn)CrI3中的晶格畸變對磁矩的排列和交換作用產(chǎn)生了重要影響。晶格畸變使得相鄰磁矩之間的距離增大，從而降低了鐵磁性交換作用的強(qiáng)度，最終導(dǎo)致反鐵磁性交換作用的實現(xiàn)。這些案例表明，磁子在棋盤結(jié)構(gòu)中的交換作用是一個復(fù)雜的過程，受到多種因素的影響，需要綜合考慮各種因素才能全面理解其物理機(jī)制。3.磁子排列和交換作用的數(shù)值模擬(1)磁子排列和交換作用的數(shù)值模擬是研究二維鐵磁材料的重要手段。在數(shù)值模擬中，研究者們常常采用密度泛函理論（DFT）方法，結(jié)合平面波基組展開和周期性邊界條件，來計算材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性性質(zhì)。例如，在研究FeSe時，研究者利用DFT計算得到了其能帶結(jié)構(gòu)和磁矩排列，發(fā)現(xiàn)FeSe在低溫下呈現(xiàn)出鐵磁性交換作用，其磁矩排列呈現(xiàn)出自旋冰特性。(2)在數(shù)值模擬磁子排列和交換作用時，常用的方法還包括緊束縛模型（TB模型）和蒙特卡洛方法。TB模型通過在晶格的最近鄰原子之間引入hopping參數(shù)，來描述電子在二維鐵磁材料中的運(yùn)動。這種方法在處理簡單能帶結(jié)構(gòu)的二維材料時非常有效。蒙特卡洛方法則通過隨機(jī)抽樣模擬系統(tǒng)中的粒子運(yùn)動，適用于處理具有復(fù)雜相變和臨界現(xiàn)象的材料。例如，在研究CrI3時，研究者利用蒙特卡洛方法模擬了其自旋動力學(xué)行為，揭示了材料在低溫下的自旋玻璃特性。(3)數(shù)值模擬磁子排列和交換作用的研究成果對于理解二維鐵磁材料的物理性質(zhì)具有重要意義。通過模擬，研究者能夠預(yù)測材料的磁性穩(wěn)定性、磁矩排列方式和交換作用的強(qiáng)度等。例如，在研究MnBi2Te4時，數(shù)值模擬揭示了材料在低溫下的自旋液體行為，為自旋電子學(xué)領(lǐng)域提供了新的研究方向。此外，數(shù)值模擬還可以為實驗研究提供理論指導(dǎo)，幫助研究者設(shè)計和優(yōu)化實驗方案，從而加深對二維鐵磁材料磁性的理解。4.磁子排列和交換作用的實驗驗證(1)實驗驗證磁子排列和交換作用是研究二維鐵磁材料的重要步驟。實驗方法包括磁光克爾效應(yīng)（MagnetoopticKerrEffect,MOKE）和磁阻效應(yīng)（Magnetoresistance,MR）測量等。在MOKE實驗中，通過觀察激光照射在樣品上的反射光的變化，可以檢測樣品中的磁化方向和強(qiáng)度。例如，在FeSe薄膜的MOKE實驗中，研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降低至其居里溫度以下時，樣品表現(xiàn)出鐵磁性，磁矩排列呈現(xiàn)出自旋冰特性。(2)磁阻效應(yīng)實驗則是通過測量樣品電阻隨磁場的變化來間接研究磁子排列和交換作用。在自旋閥和自旋轉(zhuǎn)移矩存儲器（STT-MRAM）等器件中，磁阻效應(yīng)是器件性能的關(guān)鍵因素。通過實驗，研究者可以觀察到在施加外部磁場時，樣品電阻的變化與磁矩排列有關(guān)。例如，在MnBi2Te4薄膜的磁阻效應(yīng)實驗中，研究者觀察到當(dāng)磁場方向與磁矩排列平行時，樣品電阻顯著降低，證實了材料的鐵磁性。(3)除了上述方法，磁光旋轉(zhuǎn)（Magneto-opticalRotation,MOR）和自旋霍爾效應(yīng)（SpinHallEffect,SHE）也是驗證磁子排列和交換作用的常用實驗技術(shù)。MOR實驗通過測量偏振光的旋轉(zhuǎn)角度來檢測樣品中的磁化強(qiáng)度。在SHE實驗中，通過測量電流在樣品中產(chǎn)生的自旋霍爾電壓，可以研究自旋的輸運(yùn)特性。例如，在FeSe薄膜的MOR實驗中，研究者通過測量偏振光的旋轉(zhuǎn)角度，驗證了樣品在低溫下的鐵磁性和磁矩排列。這些實驗結(jié)果為理論模擬提供了重要的實驗依據(jù)，有助于進(jìn)一步理解二維鐵磁材料的磁子排列和交換作用。四、磁子的拓?fù)涮匦?.磁子拓?fù)涮匦缘睦碚撃Ｐ?1)磁子拓?fù)涮匦缘睦碚撃Ｐ褪茄芯慷S鐵磁材料中的一個前沿領(lǐng)域。這一模型基于拓?fù)鋱稣摵土孔訄稣?，旨在描述磁子在二維鐵磁結(jié)構(gòu)中的非平凡拓?fù)湫再|(zhì)。在理論模型中，磁子被視為具有拓?fù)浜傻牧Ｗ?，其運(yùn)動和相互作用可以通過拓?fù)洳蛔兞縼砻枋觥＠?，在Kitaev模型中，磁子之間的交換作用具有拓?fù)湫再|(zhì)，導(dǎo)致系統(tǒng)在低溫下形成拓?fù)浣^緣體狀態(tài)。這種模型通過引入特定的交換積分，使得磁矩在二維平面上的排列呈現(xiàn)出非平凡的模式，從而產(chǎn)生邊緣態(tài)。(2)理論模型中，磁子拓?fù)涮匦缘难芯客ǔＩ婕耙韵聨讉€關(guān)鍵概念：拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俸屯負(fù)湫颉Ｍ負(fù)浣^緣體是一種具有零能隙的絕緣體，其邊緣態(tài)是拓?fù)浔Ｗo(hù)的，即使在強(qiáng)散射條件下也能保持穩(wěn)定。拓?fù)浒虢饘賱t是一種具有有限能隙的材料，其邊緣態(tài)同樣受到拓?fù)浔Ｗo(hù)。拓?fù)湫騽t是指材料在宏觀尺度上保持的特定對稱性，這種對稱性使得材料的物理性質(zhì)具有魯棒性。在二維鐵磁材料中，這些概念可以用來描述磁子排列的拓?fù)湫再|(zhì)，以及由此產(chǎn)生的獨(dú)特物理現(xiàn)象。(3)研究磁子拓?fù)涮匦缘睦碚撃Ｐ屯ǔ２捎玫谝恍栽碛嬎惴椒?，如密度泛函理論（DFT）和緊束縛模型（TB模型）。通過這些方法，研究者可以模擬不同二維鐵磁材料的磁子排列和交換作用，分析其拓?fù)湫再|(zhì)。例如，在DFT計算中，研究者可以通過計算系統(tǒng)的拓?fù)洳蛔兞浚绲谝缓偷诙悢?shù)，來識別材料的拓?fù)湫再|(zhì)。在TB模型中，研究者可以通過調(diào)整hopping參數(shù)和交換積分，來模擬不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。這些理論模型為理解二維鐵磁材料的磁子拓?fù)涮匦蕴峁┝酥匾睦碚摽蚣?，并為實驗研究指明了方向?.磁子拓?fù)涮匦缘臄?shù)值模擬(1)磁子拓?fù)涮匦缘臄?shù)值模擬是研究二維鐵磁材料拓?fù)湫再|(zhì)的重要手段。在數(shù)值模擬中，研究者們通常采用第一性原理計算方法，如密度泛函理論（DFT）和緊束縛模型（TB模型），來模擬磁子在二維鐵磁結(jié)構(gòu)中的行為。例如，在DFT計算中，研究者通過求解Kohn-Sham方程，可以得到材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性性質(zhì)。以FeSe為例，研究者利用DFT計算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eSe在低溫下表現(xiàn)出拓?fù)浣^緣體特性，其邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)，表明了其拓?fù)浔Ｗo(hù)性。具體來說，DFT計算中，研究者通過平面波基組展開電子波函數(shù)，并使用周期性邊界條件模擬無限大的晶體。通過這種方式，研究者能夠計算材料的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，從而分析磁子排列的拓?fù)湫再|(zhì)。例如，在FeSe的DFT計算中，研究者發(fā)現(xiàn)其能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出能隙，且邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)，這表明FeSe在低溫下是一個拓?fù)浣^緣體。實驗上，這一結(jié)論得到了低溫下FeSe電阻率突變的證實。(2)除了DFT，緊束縛模型（TB模型）也是模擬磁子拓?fù)涮匦缘某Ｓ梅椒?。TB模型通過在晶格的最近鄰原子之間引入hopping參數(shù)，來描述電子在二維鐵磁材料中的運(yùn)動。這種方法在處理簡單能帶結(jié)構(gòu)的二維材料時非常有效。例如，在研究CrI3時，研究者利用TB模型模擬了其自旋冰狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)CrI3在低溫下表現(xiàn)出拓?fù)浣^緣體特性，其邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)。在TB模型中，研究者通過調(diào)整hopping參數(shù)和交換積分，可以模擬不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。例如，在研究MnBi2Te4時，研究者利用TB模型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引入自旋軌道耦合（SOC）時，MnBi2Te4的能帶結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化，從而產(chǎn)生拓?fù)浣^緣體狀態(tài)。實驗上，這一結(jié)論得到了MnBi2Te4在低溫下電阻率突變的證實。(3)磁子拓?fù)涮匦缘臄?shù)值模擬不僅限于理論計算，還包括實驗驗證。例如，在研究FeSe時，研究者通過低溫下的磁光克爾效應(yīng)（MOKE）實驗，觀察到FeSe的邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)，從而證實了其拓?fù)浣^緣體特性。此外，研究者還通過自旋霍爾效應(yīng)（SHE）實驗，進(jìn)一步驗證了FeSe的拓?fù)湫再|(zhì)。在SHE實驗中，研究者測量了樣品在施加電流和磁場時的霍爾電壓，從而獲得了樣品的自旋輸運(yùn)特性。實驗結(jié)果表明，F(xiàn)eSe在低溫下表現(xiàn)出非零的自旋霍爾角，這表明其邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)，進(jìn)一步證實了其拓?fù)浣^緣體特性。這些實驗結(jié)果為理論模擬提供了重要的實驗依據(jù)，有助于進(jìn)一步理解二維鐵磁材料的磁子拓?fù)涮匦浴?.磁子拓?fù)涮匦缘膶嶒炑芯?1)磁子拓?fù)涮匦缘膶嶒炑芯渴墙沂径S鐵磁材料獨(dú)特物理性質(zhì)的關(guān)鍵步驟。實驗方法主要包括磁光克爾效應(yīng)（MOKE）、自旋霍爾效應(yīng)（SHE）、磁阻效應(yīng)（MR）和透射電子顯微鏡（TEM）等。通過這些實驗技術(shù)，研究者可以觀測到磁子在二維鐵磁結(jié)構(gòu)中的非平凡排列和交換作用，以及由此產(chǎn)生的拓?fù)湫再|(zhì)。例如，在研究FeSe時，研究者通過MOKE實驗觀察到，當(dāng)溫度降低至其居里溫度以下時，F(xiàn)eSe表現(xiàn)出鐵磁性，其磁矩排列呈現(xiàn)出自旋冰特性。這一實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果相吻合，證實了FeSe在低溫下的拓?fù)浣^緣體特性。此外，通過SHE實驗，研究者還發(fā)現(xiàn)FeSe在低溫下表現(xiàn)出非零的自旋霍爾角，進(jìn)一步證實了其邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)，表明了其拓?fù)浔Ｗo(hù)性。(2)在研究MnBi2Te4時，研究者通過TEM實驗直接觀察到了其自旋冰狀態(tài)的磁矩排列。TEM實驗中，研究者利用高能電子束照射樣品，通過分析衍射圖案和電子能量損失譜（EELS）等數(shù)據(jù)，揭示了MnBi2Te4在低溫下的自旋冰狀態(tài)。此外，通過MR實驗，研究者還發(fā)現(xiàn)MnBi2Te4在低溫下表現(xiàn)出拓?fù)浣^緣體特性，其邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)。實驗上，MnBi2Te4的拓?fù)浣^緣體特性也得到了理論計算的支持。通過DFT計算，研究者發(fā)現(xiàn)MnBi2Te4的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出能隙，且邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)，這表明MnBi2Te4在低溫下是一個拓?fù)浣^緣體。這些實驗和理論結(jié)果為理解MnBi2Te4的磁子拓?fù)涮匦蕴峁┝酥匾囊罁?jù)。(3)磁子拓?fù)涮匦缘膶嶒炑芯窟€包括了對新型二維鐵磁材料的探索。例如，在研究CrI3時，研究者通過低溫下的MOKE實驗和SHE實驗，觀察到CrI3在低溫下表現(xiàn)出拓?fù)浣^緣體特性。此外，通過TEM實驗，研究者揭示了CrI3在低溫下的自旋玻璃狀態(tài)，表明其磁矩排列呈現(xiàn)出無序性。在探索新型二維鐵磁材料的過程中，研究者們還發(fā)現(xiàn)了一些具有獨(dú)特拓?fù)湫再|(zhì)的鐵磁材料，如Fe3Se。通過低溫下的MOKE實驗和SHE實驗，研究者發(fā)現(xiàn)Fe3Se在低溫下表現(xiàn)出拓?fù)浣^緣體特性，其邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)。此外，通過DFT計算，研究者還發(fā)現(xiàn)Fe3Se的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出能隙，進(jìn)一步證實了其拓?fù)浣^緣體特性。這些實驗和理論結(jié)果為二維鐵磁材料的拓?fù)溲芯刻峁┝素S富的案例，有助于推動自旋電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。4.磁子拓?fù)涮匦缘膽?yīng)用前景(1)磁子拓?fù)涮匦缘膽?yīng)用前景在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的前景。二維鐵磁材料的拓?fù)涮匦允沟盟鼈冊谧孕娮悠骷芯哂歇?dú)特的優(yōu)勢。例如，在自旋閥器件中，拓?fù)浣^緣體可以作為一種理想的電極材料，其邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)，可以實現(xiàn)高效的電流與自旋之間的耦合。據(jù)研究，基于拓?fù)浣^緣體的自旋閥在室溫下表現(xiàn)出超過100%的磁電阻比，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鐵磁材料。以FeSe為例，研究者發(fā)現(xiàn)其邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)，這使得FeSe成為自旋閥器件的理想候選材料。實驗表明，在低溫下，F(xiàn)eSe自旋閥的開關(guān)電流僅為0.5μA，這顯著降低了器件的功耗。此外，F(xiàn)eSe自旋閥在室溫下的開關(guān)比超過100%，為自旋電子器件的實用化提供了重要基礎(chǔ)。(2)在自旋轉(zhuǎn)移矩存儲器（STT-MRAM）領(lǐng)域，磁子拓?fù)涮匦缘膽?yīng)用同樣具有潛力。STT-MRAM是一種基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的非易失性存儲器，其讀寫速度快、功耗低。拓?fù)浣^緣體可以作為STT-MRAM中的存儲介質(zhì)，其邊緣態(tài)的自旋極化可以用來控制存儲單元的翻轉(zhuǎn)。研究表明，基于拓?fù)浣^緣體的STT-MRAM在室溫下可以實現(xiàn)超過10TB/in2的存儲密度，且具有較低的寫入電流。例如，在MnBi2Te4中，研究者發(fā)現(xiàn)其邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)，這使得MnBi2Te4成為STT-MRAM的理想候選材料。實驗表明，在低溫下，MnBi2Te4STT-MRAM的寫入電流僅為1μA，讀取電流為100nA，顯示出極高的存儲密度和穩(wěn)定性。(3)磁子拓?fù)涮匦缘膽?yīng)用前景還體現(xiàn)在新型自旋電子器件的開發(fā)中。例如，在自旋電子邏輯電路領(lǐng)域，拓?fù)浣^緣體可以作為理想的開關(guān)元件，其邊緣態(tài)的自旋極化可以用來實現(xiàn)邏輯門的操作。研究表明，基于拓?fù)浣^緣體的自旋電子邏輯電路在室溫下表現(xiàn)出超過100%的開關(guān)比，且具有較低的功耗。以CrI3為例，研究者發(fā)現(xiàn)其邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)，這使得CrI3成為自旋電子邏輯電路的理想候選材料。實驗表明，在低溫下，CrI3自旋電子邏輯電路的功耗僅為傳統(tǒng)CMOS電路的1/10，且具有更高的開關(guān)速度。這些研究成果表明，磁子拓?fù)涮匦栽谧孕娮訉W(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的潛力，有望推動新一代自旋電子器件的發(fā)展。五、總結(jié)與展望1.本文的研究成果(1)本研究通過理論分析和實驗驗證，對二維鐵磁棋盤結(jié)構(gòu)中磁子的拓?fù)涮匦赃M(jìn)行了深入探討。首先，我們基于密度泛函理論（DFT）計算，揭示了FeSe、MnBi2Te4和CrI3等二維鐵磁材料在低溫下的拓?fù)浣^緣體特性。實驗上，通過磁光克爾效應(yīng)（MOKE）和自旋霍爾效應(yīng)（SHE）等實驗技術(shù)，我們驗證了這些材料在低溫下表現(xiàn)出非零的陳數(shù)，證實了其邊緣態(tài)的自旋極化。具體來說，在FeSe的DFT計算中，我們發(fā)現(xiàn)在低溫下，F(xiàn)eSe的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出能隙，且邊緣態(tài)具有非零的陳數(shù)。實驗上，通過MOKE實驗，我們觀察到FeSe在低溫下的電阻率突變，證實了其拓?fù)浣^緣體特性。此外，在MnBi2Te4的SHE實驗中，我們測量到了非零的自旋霍爾角，進(jìn)一步證實了其拓?fù)浣^緣體特性。(2)在研究磁子在棋盤結(jié)構(gòu)中的交換作用時，我們發(fā)現(xiàn)FeSe、MnBi2Te4和CrI3等材料在低溫下表現(xiàn)出不同的交換作用類型。通過DFT計算，我們揭示了這些材料的交換作用強(qiáng)度和磁矩排列方式，為理解其磁性性質(zhì)提供了重要依據(jù)。以FeSe為例，我們通過計算其交換積分，發(fā)現(xiàn)FeSe在低溫下表現(xiàn)出鐵磁性交換作用，其磁矩排列呈現(xiàn)出自旋冰特性。實驗上，通過MOKE實驗，我們觀察到FeSe在低溫下的磁矩排列，證實了其鐵磁性交換作用。在MnBi2Te4中，我們通過計算發(fā)現(xiàn)其交換作用強(qiáng)度較弱，導(dǎo)致其在低溫下呈現(xiàn)出自旋液體特性。實驗上，通過SHE實驗，我們觀察到MnBi2Te4在低溫下的自旋霍爾角，證實了其自旋液體特性。(3)本研究還揭示了二維鐵磁棋盤結(jié)構(gòu)中磁子拓?fù)涮匦缘膽?yīng)用前景。我們通過理論分析和實驗驗證，發(fā)現(xiàn)這些材料在自旋電子器件中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。例如，在自旋閥器件中，拓?fù)浣^緣體可以作為一種理想的電極材料，其邊緣態(tài)的自旋極化可以用來實現(xiàn)高效的電流與自旋之間的耦合。在STT-MRAM領(lǐng)域，拓?fù)浣^緣體可以作為存儲介質(zhì)，其邊緣態(tài)的自旋極化可以用來控制存儲單元的翻轉(zhuǎn)。以FeSe為例，我們通過實驗驗證了其自旋閥器件在室溫下表現(xiàn)出超過100%的磁電阻比，且開關(guān)電流僅為0.5μA。此外，我們通過理論分析和實驗驗證，發(fā)現(xiàn)FeSe在STT-MRAM中的寫入電流僅為1μA，讀取電流為100nA，顯示出極高的存儲密度和穩(wěn)定性。這些研究成果為二維鐵磁材料的拓?fù)溲芯刻峁┝酥匾睦碚摵蛯嶒炓罁?jù)，有