范德瓦耳斯磁体中磁场诱导的量子相变
材料科学
2020-04-02 v1 介观与纳米尺度物理
摘要
探索新的参数区间以实现并调控新奇物质相一直是现代凝聚态物理研究的主旋律。近来在近乎独立单层原子晶体中发现的二维磁性,已经导致观察到体相中不存在的若干新奇磁现象。这种磁性与晶体结构之间错综复杂的相互作用,为在这一新的二维参数区间探索量子相变提供了充足机遇。在此,利用依赖于磁场与温度的声子与磁子的圆偏振拉曼光谱,我们绘制出 CrI3 的相图——该材料在其二维薄膜中已知为层状反铁磁(AFM),而在其三维块体中为铁磁(FM)。然而,我们揭示了三维 CrI3 块体晶体中一种层状 AFM 与 FM 共存的混合态:层状 AFM 存在于表面层,而 FM 出现在更深的块体层。我们进而表明,表面层状 AFM 在 2 T 的临界磁场下转变为 FM,类似于在少数层情形中所发现的。有趣的是,伴随这一磁相变,我们发现了一种一级结构相变,将晶体学点群从 C3i 改变为 C2h,因此从对称性角度看,这一单斜结构相属于三维向列序普适类。我们的结果不仅揭示了三维 CrI3 中复杂的单磁子行为,而且解决了尽管近期在理解 CrI3 薄层中层状 AFM 起源方面作出努力、CrI3 如何从块体 FM 转变为薄层状 AFM 半导体的谜题,并揭示了层状 AFM 到 FM 与晶体菱方到单斜相变之间的紧密关系。这些发现进一步为未来基于二维磁体的磁机械器件开辟了机遇。
引用
@article{arxiv.2001.09536,
title = {Magnetic field-induced quantum phase transitions in a van der Waals magnet},
author = {Siwen Li and Zhipeng Ye and Xiangpeng Luo and Gaihua Ye and Hyun Ho Kim and Bowen Yang and Shangjie Tian and Chenghe Li and Hechang Lei and Adam W. Tsen and Kai Sun and Rui He and Liuyan Zhao},
journal= {arXiv preprint arXiv:2001.09536},
year = {2020}
}