近日，中科院合肥研究院強磁場中心陸輕鈾課題組、盛志高課題組和孫玉平課題組合作，在范德華力層間弱耦合材料Cr₂Ge₂Te₆的磁疇結構與動力學演化研究中取得重要進展。合作團隊利用自主研制的高靈敏高分辨強磁場變溫磁力顯微鏡（MFM），發現在Cr₂Ge₂Te₆單晶相變點附近很窄的溫度區間以及很窄的磁場區間內，存在多達八種的具有一定對稱性的磁疇結構。該項研究成果在線發表在高影響學刊Materials Characterization上，郭騰飛是論文的第一作者。  

　　根據 Mermin-Wagner-Berezinskii 理論，在一維或二維的各向同性體系中，熱起伏會強烈地抑制長程電子序，導致鐵磁或反鐵磁在低維材料中無法形成，最近的一些研究發現少數層并且各向異性的 Cr₂Ge₂Te₆中存在長程磁有序，相關的磁結構成像研究雖也發現了一些磁疇圖像，但數據較少，所呈現的磁結構類型也不夠豐富與精細。到目前為止，學界仍然缺乏有關二維鐵磁材料的微觀磁疇結構及其對稱性知識，特別是其在相變溫度附近磁疇隨外磁場與溫度演化行為的精細測量。

       陸輕鈾課題組近期自主研制成功首個高靈敏度高分辨強磁場變溫磁力顯微鏡，甚至可分辨“單個單胞層差”所產生的磁結構差異（見Nano Letters 2020:20,2468-2477）。借助該顯微鏡，對層狀材料Cr₂Ge₂Te₆進行了精密的磁結構成像測量及其演化過程研究。表征結果揭示：在相變溫度點附近窄至2K的溫度區間內及窄至0.07T的外磁場范圍內，樣品存在多達8種類型具有不同對稱性與尺寸的磁疇結構（圖1），它們之間是可以相互轉化與調控的，相應的動力學過程可以通過連續播放的圖像進行視頻展現（圖2）。如此窄的溫度區間以及磁場區間存在條件也是它們難以被發現的一個原因。

        該八種磁疇結構中的部分磁疇結構有可能只存在于層狀材料中，例如可根據周邊磁疇分布情況來調節自己尺寸的“自適應”碟狀磁疇（self-fitting disks），以及“Y”形疇壁中存在的“階梯狀”精細結構（fine ladder structure within Y-connected walls）等，三維塊體材料中有關這些類型磁疇結構還未見有報道。除此之外，幾乎按照正六邊形排列分布的點狀磁疇可隨著外磁場的變化慢慢演化成環形，并像水波一樣擴散演化，最終演化成蜂窩狀并有新的點疇存在于每個六邊形小室的中心位置，如同形成駐波（即自旋波的駐波）。對所述這8類電子相相互轉化行為的成像研究基礎上，科研人員繪出了其相圖（圖1）。  

　　這些存在于Cr₂Ge₂Te₆單晶中的新奇磁疇結構及其拓撲演化行為，對于層狀范德華力作用材料或低維材料的磁學研究至關重要。這些豐富電子相結構的發現，將為低維材料磁學理論研究與高密度磁存儲、磁傳感器等重要應用研究提供堅實的基礎。 

　　文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580321000437 。

　　圖1：八種電子相結構（左）及其相圖（右） 

　　圖2：（左）0T時磁疇隨溫度的演化過程；（右）69.9K時磁疇隨磁場的演化過程