一维随机场伊辛模型中的雪崩效应 | 前沿快讯No.2

编者按

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一维随机场伊辛模型的实验实现

      对于慢驱动场的雪崩响应在自然界中无处不在，雪崩现象可能发生在各种各样的系统中，比如磁畴、超导涡旋、地震、滑坡、电网甚至股票市场。由于存在无序、雪崩现象的亚稳态本质和临界不稳定性，这些体系中的物理十分复杂。一个最简单的用于理解雪崩现象的重要理论模型是一维随机场伊辛模型。该模型对于许多体系都非常适用，但很难在实验上简单实现。典型的实验体系受到多种复杂因素的影响，比如长程力、高维特征以及无法接近的具有较大涨落的临界区域。此外，很少有体系能够实现可以精确表征全雪崩现象中雪崩尺度的实验成像。

      本文在相互耦合的单畴铁磁纳米岛阵列中对雪崩现象进行了研究，这种被称为人造自旋冰的体系可以在微观尺度进行设计，并同时对单个纳米磁矩进行成像，实现了在相互作用的纳米磁铁的方形人造自旋冰阵列中对磁场引起的雪崩现象的测量。基于基态的有序构型，在每次施加递增场后对单个纳米磁矩进行成像，统计磁矩构型的演化，其结果与规范的一维随机场伊辛模型一致。这种从对集体行为的宏观测量中提取对应阵列微观结构的信息的方法，可以扩展应用于其他具有雪崩现象的系统。

相关研究成果以Experimental Realization of the 1D Random Field Ising Model为题，发表在发《物理评论快报》 Physical Review Letters 127, 207203 (2021)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.207203

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扭曲二维磁体中磁畴和莫尔磁性的直接可视化观测

      晶体中原子的周期性排列决定了其基本物性，通过对晶体周期性的调制可以极大的调控其量子行为甚至引发新的物态。一种新兴的周期调制手段是将两层范德华晶体以一定的扭转角度或者晶格失配垂直堆叠，搭建起莫尔超晶格。这种方法可以对半金属性的石墨烯以及半导体性的过渡金属硫属化物的电子结构进行大幅调控，诱发了一系列新的关联和拓扑现象。扭曲非磁性二维材料莫尔超晶格是进行新奇关联和拓扑物态调控的高度可控平台，但具有本征磁有序的莫尔超晶格在实验上依然很难实现。

      本文报道了具有小角度扭转的二维磁体CrI3中出现的磁性结构。通过单自旋量子磁性测量，直接观测到了纳米尺度的磁畴和周期图案，以及莫尔磁性的信号，同时测量了磁畴的大小和磁化强度。在扭曲的双层CrI3中，观测到反铁磁和铁磁磁畴以一种类似无序的空间图案共存。在扭曲的双-三层CrI3（共六层）中出现了具有周期性图案的反铁磁和铁磁磁畴，与CrI3莫尔超晶格中局部堆叠方式依赖的层间交换关联产生的磁结构计算结果很好的吻合。本工作突出摩尔超晶格在探索纳米磁性方向是一个很好的平台。

相关研究成果以Direct visualization of magnetic domains and moiré magnetism in twisted 2D magnets为题，发表在《科学》Science 374, 1140–1144 (2021)上。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj7478

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外延单层NbSe2薄膜中的电荷密度波及电声耦合

      二维层状过渡金属硫属化物在电子学、光子学、自旋电子学等方面表现出许多新奇的物性，因此引起了人们的广泛关注。其中，NbSe2是一种探索凝聚态物理电子关联体系中电荷密度波和超导相之间联系及物理机制的理想材料。生长于石墨烯衬底上的单层1H相NbSe2具有3.0K的超导转变温度，相对于体相7.2K受到了较大的抑制；对应的电荷密度波的相转变温度约为145K，相较于体相33.5K也有巨大的提升。对于NbSe2中电荷密度波物理机制的认知从费米面构型诱导的皮尔斯不稳定性开始，到周期晶格畸变诱导的波矢依赖的电声耦合以及极度依赖费米面形状和大小的费米面嵌套理论，到目前为止依然还未完全弄清。对于其超导机制，自旋涨落引起的扫描隧道谱的精细结构表明存在非常规的库珀配对，与传统超导体的认识有所差异，为理解NbSe2中的超导起源提供了新的思路。

      本文结合扫描隧穿显微镜、角分辨光电子谱和拉曼光谱，研究了在双层石墨烯、SrTiO3（111）和Al2O3（0001）不同衬底上生长的单层NbSe2薄膜中的电荷密度波。发现在液氮温度，双层石墨烯衬底上的单层NbSe2薄膜中两个稳定的电荷密度波相可以共存。在SrTiO3（111）衬底上生长的单层NbSe2薄膜中，单向的电荷密度波区域在 ± 41 meV表现两个明显的尖峰并在4.1K表现出更宽的能隙，表明从衬底向薄膜的电荷转移会影响费米面构型，使费米能级上升同时伴随费米面口袋的缩小。结合变温拉曼实验，推测单层NbSe2中的电声耦合主导了其电荷密度波转变。

相关研究成果以Charge Density Wave and Electron-Phonon Interaction in Epitaxial Monolayer NbSe2 Films为题，发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 38 107101 (2021)上。

原文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/38/10/107101

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