拓扑惹埃、侠侣以磁
0. 编按
这里的两项工作，一项是讨论怎么能将磁斯格明子做得很小，一项是看范德华二维异质结的近邻效应到底有多强。问题都是好问题，但总有那脑瓜灵动、物理感觉灵敏的量子材料人们，运用其巧手绝技，然后看看效果如何。
The bags consist of three vortex-like lumps, which are the skyrmions inside the bag. Credit: University of Birmingham
https://phys.org/news/2019-04-skyrmions-storage.html
1. 斯格明子若尘埃 (拓扑惹埃)
Squeezing the periodicity of Néel-type magnetic modulations by enhanced Dzyaloshinskii-Moriya interaction of 4d electrons
Ádám Butykai, Korbinian Geirhos, Dávid Szaller, László F. Kiss, László Balogh, Maria Azhar, Markus Garst, Lisa DeBeer-Schmitt, Takeshi Waki, Yoshikazu Tabata, Hiroyuki Nakamura, István Kézsmárki & Sándor Bordács
npj Quantum Materials volume 7, Article number: 26 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41535-022-00432-y
一个好的材料，既要性能符合更高、更快、更强的高端要求，又要稳定、长寿、环境友好。可做到这些的材料不能说没有，但定是凤毛麟角。正因为如此，物理人才会趋之若鹜，因为这是科学研究的塔尖价值：以己才智之最，贪求自然之最。
在量子材料的大家庭中，最能体现这一价值观的，大概应该是自旋电子学了。现代磁学和自旋电子学，似乎将材料磁性那点东西折腾得清清楚楚、仔仔细细，并取得了巨大成就和效益，成为当今数字文明的重要支撑之一。其实，从电磁学角度看，电荷相互作用比自旋相互作用那不知道要强几百倍，但今天，磁性应用与电性应用一样广泛而遍及万水千山。不过，这还不够，因为科学研究的价值观在那里：以己才智之最，贪求自然之最。
自旋电子学的一个贪求，就是信息存储的极致化。当我们在不断通过“牺牲”磁存储单元的尺寸和稳定性，以追求更高、更快、更强时，基于畴壁运动而实现读写的技术已到瓶颈，驱动畴壁的电流所引起的焦耳热可能足够将存储器本身烧毁。因此，才有了一些新的探索：垂直磁记录、反铁磁、斯格明子。。。其中后两者，正在物理人的三尺书台上辗转反侧！目前，反铁磁自旋电子学还存在一些基本问题未能很好认识，而斯格明子可作为信息存储处理的载体则已经众所周知。
其实，跟当下的铁磁畴比较，斯格明子即便是一个拓扑非平庸的“粒子”，也存在若干问题。例如，目前没有多少证据显示斯格明子稳定性超过类似大小的铁磁畴，操控手段和可用性能也还没有达到应用所需。即便就密度而言，实验室所展示的斯格明子，也还没有做到既可密集产生和湮灭，输出信号也没有展示足够灵敏度，虽然前景很好！
这些问题，实际上还不是当下所关注的。当下最关注的问题可能有两个：(1) 斯格明子到底能多小？(2) 斯格明子存在的温度窗口到底有多宽？这两个问题不能很好解决，替代当下磁记录材料的期望可能就不高。
首先，斯格明子到底能多小？按照唯象理论所包括的哈密顿作用项，形成斯格明子应包含 Heisenberg 相互作用、DM 相互作用、磁晶各向异性。后两项比重越大，能够得到的斯格明子尺寸就有可能越小 (不是说必定越小)。实际上，后两项都来自自旋 - 轨道耦合 SOC，因此 SOC 就成为斯格明子物理的重要元素。过去的很多工作都有讨论，虽然斯格明子的尺寸在严格意义上与 SOC 大小并非有明确的对应关系，但统计意义上，SOC 越强，得到斯格明子的尺寸可能越小。这是第一个指引！
其次，很有意思的是，斯格明子是一个介观准粒子，包含了数十个乃至数百个自旋，形成组合体。因此，热力学上，斯格明子的稳定形成和切换，需要热涨落辅助。这很像经典磁有序相变过程中涡旋 - 反涡旋产生的 K - T 相变。也就是说，斯格明子这个拓扑非平庸的东西千好万好，也还是如涡旋 - 反涡旋一般，存活的区域不够宽。所谓昙花一现，随温度偏离磁相变越远，斯格明子也可能灰飞烟灭。这是第二个指引！
当下斯格明子的研究有一个重要方向，便是寻找既有很强 SOC、又很容易形成斯格明子而非其它非共线自旋结构的新材料。
提升 SOC 的指引实际上早就有了，譬如教科书告诉我们过渡金属 4d / 5d 离子的 SOC 比 3d 离子大。但是很奇怪，过往的那些斯格明子体系大多都是 3d 化合物，如 V / Mn / Fe / Co/ Cu 等化合物，4d / 5d 的 Mo / Ru / W / Ir 等离子化合物很少触及。Ising 乃外行一枚，没弄明白诸如田明亮 / 杜海峰、江万军、王文洪 / 侯志鹏等国内高手 (很多强手，抱歉不能一一列举) 和 Tokura、Fert、Onose、张西祥等海外高人 (也很多) 都较少 touched 4d / 5d 化合物。一个可能性是，后者的磁相变温度可能太低，这些强手懒得去理睬它们了^_^。当然，我瞎猜的！
最近，《npj QM》的确发表了一篇此类文章。来自匈牙利、德国、奥地利、美国、日本的一个大合作团队 (看文章作者那么长，即可预料)，主要作者是匈牙利布达佩斯技术经济大学的 Sándor Bordács 教授，开展了 4d 极性磁体 GaMo4S8 中 Neel 型斯格明子的探索。需要特别指出的是，SOC 强，不过是产生细小和高密度斯格明子的必要条件之一而已，能不能真的实现斯格明子对其它非共线自旋序的“优势霸权”，那是百里挑一的可能性。因此，挑选出 GaMo4S8，也是披荆斩棘的结果。
他们的手段也是长枪大炮：全域小角中子散射和其它磁性测量技术，配合理论计算。的确，有如下特征：
(1) 磁相变温度很低，Tc 大概是 20 K 左右，因此斯格明子的形成温度也很低。
(2) 斯格明子可以 Tc 以下整个温区都存在，而没有在远离 Tc 后即灰飞烟灭。
(3) 观测到的斯格明子最小尺寸可以小到 10 nm 甚至更小，而且可以周期性密集排列，形成超高密度斯格明子点阵。
这些结果，因为那个 Tc ~20 K 的低温，从应用角度看显然是大打折扣。但如上三条，的确展示了一个 4d 硫化物体系在原理上的进步。这一点，很多前人的研究都纠结了很久，大概也是此文的一些价值所在。不过，Ising 管见，整体上看，这一工作的 impacting 不够高，也许只能算是《npj QM》所刊发的平常文章之一。
雷打不动的结尾：Ising 是外行，如若理解错了，敬请谅解。各位有兴趣，请前往御览原文。原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41535-022-00432-y
(a) Tomographic SANS image measured at 12 K in GaV4S8 and (b) its graphical representation. (c) The distribution of the magnetic wave-vectors observed at 2 K in GaMo4S8 and (d) its schematic view (关注波矢数值的大小)。
2. 二维更比三维亲 (侠侣以磁)
Two-dimensional ferromagnetism detected by proximity-coupled quantum Hall effect of graphene
Tuan Khanh Chau, Sung Ju Hong, Haeyong Kang & Dongseok Suh
npj Quantum Materials volume 7, Article number: 27 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41535-022-00435-9
量子材料研究的各种尺度 (空间、时间、能量等) 正在不断拓展，使得量子材料的功能响应也在不断拓展。关注这种响应，首先是关注宏观外场，如电、磁、光、热、力和化学场，等等。虽然薄膜异质结物理最初并非以关注界面的功能响应为目标而开展，但凝聚态物理很快将其拓展到功界面处的能响应，即异质结界面耦合也是一种外场，只是这是一类局域外场。
由此，异质结物理越来越关注界面耦合的作用、关注界面耦合本身反过来对两侧组元的影响。这一进程，形成了所谓“界面即器件”的理念，虽然有点言过其实！这种耦合，可以是全方位的，但除了晶格共格或者半共格导致的影响外，两个组元各自的物理性质对对方的影响，即所谓近邻效应 proximity effect，正喧嚣尘上、很是拉风。这个效应，能够赋予一个组元原本没有的性质和功能，因此给了材料人任意设计新型材料的机会，可谓美事一桩！这个效应，也可能对对方形成实质性的侵害，导致对方的功能丧失。Ising 有个一起合作的年轻人就很独到，也曾经看到这个弊端 (黄枭坤等，PRB 100, 235445 (2019))。
当然，这种近邻效应，本质上随时空都会快速衰减，因此即便是界面耦合，也只能在界面附近局域起作用，除非是强力激发而引起整个异质结构的共振。这一理念，在薄膜异质结和超晶格物理和材料中延续多年，成就了功能材料中条条大道通罗马之一条。
不过，2D 材料兴起，给了这条罗马偏道以显著拓宽的机会。既然是 2D，那就不存在时空衰减的问题，异质结的两个组元本身就是界面。因此，2D 异质结界面耦合和近邻效应，可能是自然界最强的，无出其右。既然如此，2D 材料兴起之日，就是量子材料人追逐 2D 近邻效应之时，特别是当下的 2D 材料主体都是层间以 van der Waals 力结合为主。从这个意义上，界面处化学键耦合估计就是说说，而近邻效应就“山中无老虎 (键耦合)、猴子称霸王 (近邻效应)”了。妙哉！
石墨烯与 2D 铁磁体 Cr2Ge2Te6 (CGT) 组成二维结侣。
果然，就有那脑瓜灵动、物理感觉灵敏的量子材料人们，运用其巧手绝技，或撕扯、或剥离、或生长、或转移、或转动而魔角，总之他们能够很熟练地将不同的 2D 材料堆叠在一起，做成 2D 异质结，然后看看其近邻效应如何。
来自韩国的成均馆大学 (Sungkyunkwan University) 的 Dongseok Suh 教授课题组，与来自 Kangwon National University 和 Pusan National University 的团队合作，成功制备了 2D 铁磁 Cr2Ge2Te6 (CGT) / 石墨烯 graphene 异质结，并在石墨烯上加工成型 FET 结构，以便在栅极电压作用下研究石墨烯的输运行为。他们的目标有两个：(1) CGT 磁性对石墨烯的输运行为有什么作用；(2) 石墨烯能不能作为2D磁性的传感器？
很显然，这两个问题不是无中生有，而是很有价值的。
先说 (2)，如果真的是磁性 monolayer，即便再强磁矩如 Fe 离子磁矩，这个 monolayer 的磁性也是可以估算出来的。但是，当下最灵敏的 SQUID 能测量出来么？如果不能，因为“料”太少了。有什么其它招数？石墨烯就是好邻居，因为它的输运对 everything 都足够敏感，对近邻磁性就更惊天动地了。
再说 (1)，石墨烯的 Dirac 电子结构特征，赋予其众多功能。现在有了个磁性近邻，那引起电荷转移、自旋注入、关联耦合的可能性均存在。不用说，这也是利好消息。
果然如此，Dongseok Suh 他们，展示了石墨烯输运行为的测量结果，包括量子霍尔效应对近邻磁性的依赖关系。特别是，在 CGT 磁相变附近，这些输运行为会有敏感变化。整个研究工作思路直接、清晰明了、毫无拖沓。也因此，无须 Ising 占用各位时间！
雷打不动的结尾：Ising 是外行，如若理解错了，敬请谅解。各位有兴趣，请前往御览原文。原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41535-022-00435-9
https://thebetterparent.com/2019/10/creating-2d-heterostructures-for-future-electronics/
蝶恋花·收藏春
摄取风光千万户
才绕身边，幕幕诗情赋
终究往来三月误，从今罢了藏文簿
便是前方多苦楚
明月萦怀，再把梅兰顾
如要与君春共度，时间反演途中住
备注：
(1) 编者 Ising，任职南京大学物理学院，兼职《npj Quantum Materials》编辑。
(2) 文底图片乃是玄武湖的初春！您看到了，“如要与君春共度，时间反演途中住”，这是磁性这一对称性的味道。
(3) 封面图片来自 http://www.bio1000.com/news/201811/011583.html，展示了 vdW 二维材料发展潜力。
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