对话受限的二维材料

凝聚态物理和材料科学研究有两把大刷子：在性能和效应上追求大、高、强，而在结构上则追求小、薄、弱。对性能追求，无须再费口舌去絮叨其必要性，但结构上的追求还值得我们嘀咕一二。我们说的结构，包括实空间和动量 / 能量空间的结构。无论是从经典物理角度，还是从量子物理角度看，调控那些小的、薄的和弱的结构，带来的功能变化一般就显著和丰富，从而成为物理人的最爱，其中可当作谈资的内涵很多。传统材料科学，一般都追求那种坚实的、稳重的、可靠的功能，因为这样的器件寿命长、可靠性高，如此等等。

这里，Ising 不才，说几句关于小和薄的事。

材料人研究小尺寸材料，使得纳米材料科学从无到有、打败一切其他学科。纳米材料现在可能是物质科学中最大的二级学科分支。将材料做到纳米尺度，所展示的各种形态、层次和维度 (d = 0, 1, 2)，让人目不暇接。早期，因为制备上并无特别大的技术挑战，纳米材料横扫下里巴人和阳春白雪的各个层次，也因此赢得各种生前身后名。其所得褒贬不一、虚实兼具，构成早些年纳米材料科学给大众的印象。

所谓大浪淘沙，经历了数十年的摸爬滚打，纳米材料与各个老大哥学科交叉混合，开始凝练出一些很漂亮的物质学科分支出来。二维材料就是很好的例子。有两个很有代表性的分支，Ising 斗胆将其称为：(1) 自由的二维材料、(2) 受限的二维材料。

自由的二维材料。即便是手撕，也可将“一切”都装进两层之间、装配各种功能。

取自网站 https://www.gauss-centre.eu/

(1) 自由的二维材料：自 2004 年 Geim 手撕石墨烯开始，几乎所有材料人都知道其发展历程。到了今天，实空间真正的二维材料已经是物质科学的新气象。手撕石墨烯，刺激了我们手撕一切层状范德瓦尔 vdW 材料的想象力，让很多物理人摩拳擦掌下场手撕，还真的成就了一番广阔天地。后来，又陆陆续续有了各种生长大面积二维材料的方法，二维材料产业化正在成为现实。

很显然，这些手撕二维材料是真正的“二维”材料，它们的四面八方都可以是真空世界，因此是自由的、无拘无束的。我们不妨称其为自由的二维材料。这里的自由，还表示其可以与任何基底、相知相熟的同伴、不同类别的陌生同类随意组合成家庭，生儿育女，繁衍不同的新功能、新生代、新梦想。嗯嗯，话似乎说得有点过了，姑且打住不论。

(2) 受限的二维材料：这一分支其实已经存在很久了。早期的发展未必那么令人关注，但成就丰硕。最早的追索显然可以到二维电子气 two - dimensional electron gas (2DEG)。它诞生了整数和分数量子霍尔效应，展示了物理人追求极端的风度。这些 2DEG 主要由高质量的半导体异质结制备而成，个中缘由自有漂亮物理，不在此絮叨。Ising 认为，也正是因为这种认知，2DEG 一直都只是 2DEG，有一些年头未能大踏步走向更深远处，直到哈罗德· Hwang 在 SrTiO₃ / LaAlO₃ 界面处发现 2DEG 之后，才又有了一个小高潮。

在两个那么绝缘的晶体所组成的界面处形成 2DEG，并且陆续被随后的研究观测到磁性、超导和拓扑非平庸物理效应，让一贯对概念很“抠门”的物理人开始接受很早就鼓噪的“界面即器件”呐喊。我们终于承认，“界面即物理”、“界面即材料”！很显然，这“界面即材料”，就是二维材料，只不过是受限的二维材料罢了。

异质结 / 超晶格界面处形成受限二维材料，如二维电子气 2DEG，可形成各种功能。

https://www.fkf.mpg.de/5246886/II_02_Mannhart

https://www.fkf.mpg.de/5298599/zoom-1423227613.jpg

好吧，既然是二维材料，一切我们已经熟悉的材料功能和物理都将被灌注于这界面中，就像自由的二维材料一般。这里，受限是禁锢、但也是机会。不同的受限“世界”，有不同的机会，其功能可能会更丰富和独有。至少在目前，我们可以去那里看金属、半导体、磁性、超导、拓扑、铁电、磁电耦合、电磁传输、光电转换。OK，不用再罗列。我们还可以对这个界面施加掺杂、插层、注入、近邻化、各种外场。一切物理人、材料人能够想到的调控，都可以被用来对这个界面上下其手！

这些当然不是 Ising 的疯狂幻想，物理人、材料人就是这么做的。《npj QM》最近刊登了一篇研究论文，它来自意大利 Complesso Monte Sant' Angelo 科研综合体的 M. Salluzzo 团队。这个团队，联合来自意大利国内、德国杜伊斯堡大学、瑞士 Paul  Scherrer 研究所、法国斯特拉斯堡大学和法国蒙彼利埃大学的合作伙伴，将 2DEG 作为他们的物理时空，于其中突发奇想，看看能不能与这些受限的二维材料展开一些对话。对话的方式之一，是在 SrTiO₃ / LaAlO₃ (STO / LAO) 界面形成的 2DEG 中，插入一层 EuTiO₃ (ETO) 层，然后用 polarization dependent X-ray absorption spectroscopy (XAS)、X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) 和 X-ray linear dichroism (XLD) 这些谱学大杀器，试图撬开其中的磁性物理。注意到，似乎只有这些技术组合起来，才可能实现单个晶胞层的界面磁性探测和表征。也注意到，如果 X 代表“开放”、“未知”和“创新”，那么这里就是  X • X • X，即 X³，也就有了本文的题目“对话受限的二维材料”。

这一插，带来的新物理，有 Eu - 4f 电子的角色，也有 4f - 3d 轨道耦合的作用：

(1) EuTiO₃ 是绝缘体，插进去后 2DEG 依然故我，但是加入了自旋 - 轨道耦合 SOC 这个角色。

(2) 原来没有磁性的 2DEG，现在有了很清晰的磁性。这里的新意在于，这个 2DEG 所展示的磁性，不是原来 EuTiO₃ 的 4f 反铁磁，而是维度限制和载流子引入的铁磁性。这很容易让人想起那个 RKKY。或者说，EuTiO₃ 的插入实现了 Eu - 4f 反铁磁向铁磁的 switching，至少作者是这么说的。

(3) 这个带 ETO 插层的 LAO / ETO / STO 异质结界面和 2DEG，提供了一个有可能将超导、磁性和自旋-轨道耦合联系在一起的二维材料平台，以资研究。

这一工作，可能更为令人津津乐道的价值，if any，在于从一个不同视角尝试了量子材料人梦寐以求的、对受限二维材料的多维度设计 - 制备 - 功能研究。当然，说其作用大，也大；说其难，也难；说其有用没用，也可能真的有用或没用。对此，读者诸君当各有天地、各有感受。

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。原文链接信息如下：

Orbital selective switching of ferromagnetism in an oxide quasi two - dimensional electron gas

R. Di Capua, M. Verma, M. Radovic, V. N. Strocov, C. Piamonteze, E. B. Guedes, N. C. Plumb, Yu Chen, M. D’Antuono, G. M. De Luca, E. Di Gennaro, D. Stornaiuolo, D. Preziosi, B. Jouault, F. Miletto Granozio, A. Sambri, R. Pentcheva, G. Ghiringhelli & M. Salluzzo

npj Quantum Materials volume 7, Article number: 41 (2022)

https://www.nature.com/articles/s41535-022-00448-4

七律·今春江南

满园新色早如荼，待我轻轻吻洗苏

寂静妆前今旦绿，喧嚣缀后去年朱

林间光影听烟瓦，霞表云声唤槁梧

莫忘江南明日启，鼓楼深处可文枢

备注：

(1) 编者 Ising，任职南京大学物理学院，兼职《npj Quantum Materials》编辑。

(2) 文底图片乃春天高楼墙壁上的枫藤 (20200406)，有点像那些二维材料的形态。小诗《七律·今春江南》则展现那些江南秀色在等待寻幽，也喻示受限二维材料中有万千幽然可寻 (20200406)。

(3) 封面图片展示 Interfaces are key in metal oxide superlattices，来自 https://phys.org/news/2012-09-interfaces-key-metal-oxide-superlattices.html。

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