二维磁光自旋电子学

自2017年二维（2D）磁体问世以来，二维磁体取得了飞速的发展。这些二维磁体的二维属性，以原子级厚度为特征，使得它们具有很强的磁各向异性、层数相关和可切换磁序，以及存在量子约束的拟粒子。这些独特特征将它们与传统的三维（3D）磁性材料区分开来。此外，2D几何结构使它们能够高效地与光相互作用，使其非常适合于光自旋电子学应用和潜在的芯片集成。

鉴于此，近日来自武汉大学于霆教授领导的研究团队在Advanced Materials上以Lightning the Spin: Harnessing the Potential of 2D Magnets in Opto-Spintronics为题发表综述文章，文章基于与2D磁体相互作用的光波长将光自旋电子学分为三种类型：（1）GHz到THz、（2）可见光、以及（3）紫外线到X射线，文章深入研究了有关2D磁体中新发现的光-自旋相互作用机制的最新研究突破，并介绍了基于这些相互作用构建潜在光自旋电子学应用的创新设计理念。

图1. 基于二维磁体的光自旋电子学。

图源：Advanced Materials (2023).

与传统三维磁性材料不同，二维磁体是具有非常薄厚度的材料，通常仅有一至数个原子层的厚度。这使得它们在垂直于平面的维度上变得非常有限，但在平面内却保持了出色的二维结构。

这种二维结构赋予了二维磁体强烈的平面各向异性。在二维平面内，二维磁体的性质会受到强烈的约束，而在垂直于平面的方向上则表现出完全不同的性质。这一性质在磁性材料中是非常罕见的，因此二维磁体引发了广泛的研究兴趣。

二维磁体通常表现出比一维和三维磁体更强大的磁性。这种强大的磁性源于二维磁体中独特的结构和交换相互作用，这些交换相互作用在二维平面内有着特殊的规则。

除了磁性，二维磁体还展现出许多其他引人注目的性质。其中之一是它们的电学性质。二维磁体通常表现出半导体特性，这使得它们具有电子学应用的巨大潜力。这种半导体性质可以用于制备磁性晶体管和其他自旋电子学器件，这些器件可以在信息存储和处理中发挥关键作用。

此外，二维磁体还展示了强烈的光学性质。由于它们的二维结构，二维磁体对光的吸收和散射表现出独特的特性，这对于制备光学器件和光学传感器具有巨大潜力。二维磁体可以用于磁性存储技术，这可以实现更高密度的数据存储。此外，它们还可以用于制备自旋电子学器件，用于信息传输和处理。这些应用领域的广泛涵盖使得二维磁体成为了当前研究的热点。

常见的二维磁体材料包括：

二维过渡金属二硫化物（2D TMDs）：包括二维硫化钼（MoS2）、硫化钨（WS2）等。这些材料具有层状结构，其中过渡金属原子形成磁性；

二维铁磁体：例如二维铁磷化物（FePS3）、二维铁碘化物（FeI2）、二维铁氧化物（Fe2O3）等。这些材料具有特殊的铁磁性质；二维铁基超导体：包括铁基超导体，如铁硒化物（FeSe）、铁碲化物（FeTe）等。这些材料在超导性和磁性之间存在相互作用；

二维拓扑绝缘体：某些二维拓扑绝缘体材料，如拓扑绝缘体（TI）和拓扑绝缘体（TMD），也可以表现出磁性。

二维拓扑磁性：这些是一类拥有拓扑磁性性质的二维材料，如拓扑绝缘体的磁性表面态。

图2.二维磁体的磁各向异性以及各种磁结构。

图源：AdvancedMaterials (2023).

在自旋电子学中，自旋输运是一个重要的研究领域。二维磁体的自旋输运性质具有许多独特之处。由于其二维结构，自旋在平面内的传播受到了严格的约束，这使得自旋输运过程表现出独特的量子效应。这为自旋电子学提供了一个独特的实验平台，可以用来研究自旋输运的基本原理。

通过精确控制电子的自旋，我们可以在材料中创建自旋电流，这种自旋电流可以用来传输信息。自旋传输有望在电子学中引入全新的范式，例如自旋晶体管和自旋逻辑门，这些设备可以实现更高效的能源利用和更小的尺寸。此外，自旋电子学还具有巨大的潜力用于量子计算。由于自旋是一个量子属性，可以表示为量子位，因此自旋电子学可以用来实现量子比特，这是量子计算中的基本单元。这为我们提供了利用自旋来进行超高速计算的可能性，可以解决传统计算无法解决的问题。

在电学方面，二维磁体通常表现出半导体特性，这意味着它们可以用于制备自旋电子学器件，如自旋晶体管和自旋逻辑门。这些器件可以实现更高效的能源利用和更快速的自旋信息传输，为未来的信息技术提供了巨大的潜力。

由于其二维结构，二维磁体对光的吸收和散射表现出特殊的特性，这对于制备光学器件和光学传感器具有巨大潜力。这些光学性质可以用于制备自旋电子学器件和磁光器件，从而实现自旋信息的光学控制和读取。二维磁体可以用于磁性存储技术，实现更高密度的数据存储。此外，它们还可以用于制备自旋电子学器件，如自旋波导和自旋电子激元，这些器件可以用于信息传输和处理。

图3. 二维磁性半导体CrSBr的磁序与电子能带间的对应关系。

图源：Advanced Materials (2023).

同时，光自旋电子学可以用来操控斯托克斯力，这对于实现光学开关和光学器件非常重要。二维磁体在这方面的应用可能带来创新的光学控制方式。二维磁体中的量子自旋态具有独特的光学性质，可能用于量子信息处理和量子通信领域。这为开发量子计算和通信技术提供了新的机会。

总之，二维磁体在光自旋电子学中的应用前景非常广阔，将为光学通信、量子技术、信息处理和材料科学领域带来重大创新。未来的研究和技术发展将进一步揭示这些材料的潜力，为我们的科技未来开辟新的道路。         

参考文献：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