自2017年来，二维磁性在单层材料中的实现使得二维磁性材料得到了极大的关注。这些范德瓦尔斯磁体让我们对二维极限下的磁性有了更进一步的了解，不同磁结构的范德瓦尔斯磁体使得实验上探究二维下的磁学模型成为可能。比如，Ising铁磁在单层CrI3中发现，而且XY模型的NiPS3在单层极限下磁性被抑制。除了这些，有着变磁行为的范德瓦尔斯磁体则甚至更有趣，比如在少层CrCl3中由于奇数层存在着的未补偿磁矩，使得奇数层存在着spin-flop转变，而偶数层则没有。然而现存的二维磁性材料却非常稀少，这些促使着对于新范德瓦尔斯磁体的发现，不仅仅是有助于对二维磁性的研究，更是对二维自旋电子学器件应用提供了材料基础。
对此，杨金波课题组与叶堉课题组合作发现了一种新型的四元二维铁磁半导体AgVP2Se6，为稀少的二维铁磁家族增添了新的成员。AgVP2Se6的居里温度为18 K，磁畴沿着面外c轴方向。通过机械剥离得到了最薄4层（2.9 nm）的样品，并研究了少层材料的磁性。对于较厚的样品，磁滞回线表现为台阶状。随着厚度的降低，磁滞回线逐渐变方。测量的最薄样品（6.7 nm）在居里温度以下各温度磁滞回线完全演变为方形，成为了一个硬磁材料。这一成果近期发表在了Advanced Functional Materials上，文章题为“A quaternary van der Waals ferromagnetic semiconductor AgVP2Se6”(DOI: 10.1002/adfm.201910036)。北京大学博士生彭宇轩第一作者，通讯作者为北京大学叶堉研究员与杨文云工程师。
图1.少层AgVP2Se6的磁滞回线
同时，杨金波课题组生长了范德瓦尔斯反铁磁CrPS4单晶和浙江大学的郑毅课题组合作，通过一系列的磁性测量，磁转矩和变场中子衍射实验，研究了CrPS4的磁结构和变磁行为。首先通过零场的中子衍射得到CrPS4是一个A型反铁磁，即面内是铁磁耦合而面间是反铁磁耦合。而通过磁性测量发现低场的磁化强度突变类似于反铁磁中的spin-flop转变而在8T左右磁化强度饱和意味着材料可能成为了一个类铁磁态，紧接着通过磁转矩的方式验证了这一猜想。最后利用变场的中子衍射实验，发现spin-flop转变实际上是沿着c轴（面外）反铁磁耦合的磁矩转向了沿着b轴（面内）反铁磁耦合并沿着磁场方向有一定倾斜。而随着磁场进一步升高，磁矩完全转到外磁场方向形成了一种类铁磁态。这一成果近期发表在了Advanced Materials上，文章题为“Magnetic Structure and Metamagnetic Transitions in the van der Waals Antiferromagnet CrPS4”（DOI: 10.1002/adma.202001200）。北京大学博士生彭宇轩、丁石磊和浙江大学博士生程满为共同第一作者，通讯作者为北京大学杨金波教授、杨文云工程师与浙江大学郑毅研究员，相关合作者还有澳大利亚ANSTO中子衍射科学家Maxim Avdeev。
图2. CrPS4在c轴磁场下磁结构的演变
另外，利用第一性原理计算，发现了二维多铁材料CuCrP2S6（铁磁和铁电共存），并在实验上实现了该材料的成功制备。铁磁性起源于Cr原子，铁电性起源于Cu离子，这是一个Type-II的多铁材料。幸运的是这种材料当中还存在可能的谷自由度，并且谷自由度也是极化的，谷、自旋、电偶极子自由度通过自旋-轨道耦合相互耦合在一起，可以相互控制，基于此我们提出了超级多铁的的物理概念。利用机械剥离我们获得了CuCrPSe6的纳米片，并且确定了Cu具有一个电荷的正电荷，首次观察在同一二维材料中发现了铁磁和铁电共存的信号。（Nanoscale: 11（12）: 5163-5170(2019)）。
以上研究得到了科技部重点专项、国家自然科学基金委、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室等的支持。
