科學(xué)成果的突破，離不開實驗技術(shù)的不斷攻堅克難。復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授高春雷、吳施偉團隊通過團隊自主研發(fā)搭建的掃描探針設(shè)備創(chuàng)造性地將原位化合物分子束外延生長技術(shù)和自旋化掃描隧道顯微鏡相結(jié)合，在原子層面*厘清了雙層二維磁性半導(dǎo)體溴化鉻（CrBr₃）的層間堆疊和磁耦合間的關(guān)聯(lián)，為二維磁性的調(diào)控指出了新的維度。相關(guān)研究成果以 《范德華爾斯堆疊依賴的層間磁耦合的直接觀測》（“Direct observation of van der Waals stacking dependent interlayer magnetism”）為題發(fā)表于《科學(xué)》（Science）主刊，其中復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士后陳維炯為作^[2]。

圖中所示為陳博士與RHK資深技術(shù)總監(jiān)進行深入的技術(shù)探討，現(xiàn)場摸索化測試信號，并詳細溝通具體的測量細節(jié)，為后續(xù)高效率提取高質(zhì)量大數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

    課題組運用自主研制的自旋化掃描隧道顯微鏡測量技術(shù)，結(jié)合RHK公司進的掃描探針顯微鏡控制器對自主研發(fā)實驗設(shè)備實現(xiàn)準(zhǔn)確測量調(diào)控，團隊進步在原子分辨下獲取了樣品磁化方向的相對變化，從而實現(xiàn)了實驗突破，揭秘材料堆疊方式與磁耦合之間的直接關(guān)聯(lián)性。團隊以CrBr₃雙層膜作為主要研究對象和潛在突破口。雙層CrBr₃間較弱的范德瓦爾斯力賦予層間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動和平移的“自由”，從而使堆疊方式多樣化成為可能。確實，在實驗中獲得的CrBr₃雙層膜具有兩種不同的轉(zhuǎn)動堆疊結(jié)構(gòu)（H型和R型），分別對應(yīng)迥異的結(jié)構(gòu)對稱性。其中，R型堆疊結(jié)構(gòu)中，雙層膜上下兩層間同向平行排列，且沿晶體鏡面方向作定平移；H型堆疊結(jié)構(gòu)中，雙層膜上下兩層之間旋轉(zhuǎn)了180度，反向平行交錯排列。這兩種結(jié)構(gòu)均是在相應(yīng)的體材料中從未發(fā)現(xiàn)過的全新堆疊結(jié)構(gòu)。至此，團隊*在原子尺度闡明了CrBr₃堆疊結(jié)構(gòu)與層間鐵磁、反鐵磁耦合的直接關(guān)聯(lián)，為理解三鹵化鉻家族CrX₃中不同成員的迥異磁耦合提供了指導(dǎo)。

H型和R型堆疊的CrBr₃雙層膜自旋化掃描隧道顯微鏡測量

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《Nature》子刊：中國科大扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯重要進展！ 

    范德瓦爾斯堆疊的雙層石墨烯具有系列新奇的電學(xué)性質(zhì)（例如，電場可調(diào)控的能隙、隨扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角變化的范霍夫奇點以及維拓?fù)溥吔鐟B(tài)等）。當(dāng)雙層石墨烯的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角減小到系列定的值（魔角）時，體系的費米面附近出現(xiàn)平帶，電子在能量空間高度局域，電子-電子相互作用顯著增強，出現(xiàn)莫緣體和反常超導(dǎo)量子物態(tài)。另方面，這些新奇的性質(zhì)與雙層石墨烯體系的扭轉(zhuǎn)角度有著嚴(yán)格的依賴關(guān)系，體系層間相互作用隨著轉(zhuǎn)角減小會逐漸增強，因此探尋和研究這種層間耦合對理解扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)至關(guān)重要。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心功能材料量子設(shè)計中心（ICQD）物理系秦勝勇教授與武漢大學(xué)袁聲軍教授及其他國內(nèi)外同行合作，用掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜，*在雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系中發(fā)現(xiàn)了本征贗磁場存在的重要證據(jù)，結(jié)合大尺度理論計算指出該贗磁場來源于層間相互作用導(dǎo)致的非均勻晶格重構(gòu)。

    相關(guān)研究成果以“Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene”為題，于2020年發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications 2020,11,371）上^[3]。

 圖：小角度雙層石墨烯中本征贗磁場的發(fā)現(xiàn)。對于轉(zhuǎn)角為0.48度的雙層石墨烯，在不加外磁場情況下，實驗發(fā)現(xiàn)了贋朗道能（圖b），理論計算進步驗證了這種贋磁場行為（圖c），并估算出贋磁場值大約為6斯拉（圖e）。

    該團隊系統(tǒng)研究了小角度下（<1°）雙層石墨烯的電學(xué)性質(zhì)，*證實了由晶格重構(gòu)導(dǎo)致的本征贗磁場。，研究人員發(fā)現(xiàn)體系中贗磁場導(dǎo)致了低能載流子的能量量子化，并計算出這種本征贗磁場在實空間的分布。研究發(fā)現(xiàn)贗磁場的分布并不是均勻的，而是以AA堆疊為中心呈渦旋狀，且在AA堆疊邊界區(qū)域達到大值；另外，該贗磁場的大小隨著轉(zhuǎn)角的減小而增大，其分布和大小受到外加應(yīng)力的調(diào)控。

    該項研究證實，在小角度扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中晶格重構(gòu)導(dǎo)致的贗磁場和強關(guān)聯(lián)電子態(tài)存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，層間相互作用對體系的結(jié)構(gòu)重構(gòu)和性質(zhì)變化有著非常重要的影響。這現(xiàn)象可以推廣到其他范德瓦爾斯堆疊的二維材料體系中。這項工作同時表明，具有本征贗磁場的小角度扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯是實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的個可能平臺，為研究二維材料的性質(zhì)和應(yīng)用提供了新的思路。

    RHK公司提供的R9plus掃描探針顯微鏡強有力的為國內(nèi)自主研發(fā)技術(shù)提供有力保障，除了在科研域內(nèi)重點關(guān)注的二維材料發(fā)揮重要作用以外，也對國內(nèi)其它相關(guān)掃描探針設(shè)備研發(fā)域課題組提供技術(shù)支持。

    中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸輕鈾教授團隊與中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心、新加坡國立大學(xué)等單位合作，用掃描探針控制器實現(xiàn)了高精度的磁力顯微鏡觀察表征，報告了在超薄BaTiO₃/SrRuO₃ (BTO/SRO)雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)鐵電體（FE）驅(qū)動的、高度可調(diào)諧的磁性斯格明子。在BTO中，F(xiàn)E驅(qū)動的離子位移可以穿過異質(zhì)界面，并繼續(xù)為多個單元進入SRO。這種所謂的FE鄰近效應(yīng)已經(jīng)在不同的FE/金屬氧化物異質(zhì)界面中得到了預(yù)測和證實。在BTO/SRO異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，這種效應(yīng)可以誘導(dǎo)相當(dāng)大的DMI，從而穩(wěn)定強大的磁性物質(zhì)。此外，通過用BTO覆蓋層的FE化，可以實現(xiàn)對斯格明子性質(zhì)的局部、可逆和非易失性控制。這種鐵電可調(diào)的斯格明子系統(tǒng)為設(shè)計具有高集成性和可尋址性的基于斯格明子的功能設(shè)備提供了個潛在的方向。相關(guān)成果以題為“Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures”發(fā)表在了Nat. Mater.上^[4]。

B20S5樣品中磁性斯格明子的磁力顯微鏡表征

    除此之外該課題組也對二維過渡金屬硫化物材料MoTe₂溫度依賴的表面STM圖像、電子結(jié)構(gòu)、晶格動力學(xué)和拓?fù)湫再|(zhì)進行了研究。研究結(jié)果以Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td-MoTe₂ at low temperature為題，發(fā)表在美國物理學(xué)會雜志《物理評論B》上。該工作為二維過渡金屬硫化物材料MX₂的低溫研究、實驗制備和器件開發(fā)提供了直接的理論支持，其揭示的MoTe₂低溫下反常物性的內(nèi)在物理機制對其它具有內(nèi)在MX₂八面體結(jié)構(gòu)畸變的二維材料同樣具有參考價值^[5]。

    學(xué)術(shù)工作之外，該課題組在儀器設(shè)備研發(fā)方面也取得了異的成果，課題組在上*研制成功混合磁體條件下原子分辨掃描隧道顯微鏡（STM），相關(guān)研究成果發(fā)表在顯微鏡域著名期刊Ultramicroscopy和著名儀器刊物Review of Scientific Instruments上。此工作用混合磁體搭配RHK公司掃描探針設(shè)備開展原子分辨成像研究，對于突破當(dāng)前*磁場下只能開展輸運等宏觀平均效果測量的瓶頸，進入到廣闊的物性微觀起源探索域，具有標(biāo)志性意義。同時，課題組又針對*磁場下的生物分子高分辨成像，搭建了套室溫大氣環(huán)境下的分體式STM。該系統(tǒng)將段螺紋密封式膠囊腔體通過根長彈簧懸吊于混合磁體中心，并將STM核心鏡體懸吊于膠囊腔體內(nèi)用以減弱聲音振動干擾。經(jīng)測試，該STM在27.5斯拉*磁場下依然保持原子分辨。由于沒有真空、低溫環(huán)境的保護，搭建混合磁體*磁場、*振動和聲音環(huán)境下的室溫大氣STM難度更大。此前，上還未曾報道過水冷磁體或混合磁體中的室溫大氣STM^[6]。

混合磁體STM系統(tǒng)：（a）混合磁體照片；（b）混合磁體STM系統(tǒng)簡圖；（c）STM鏡體；（i-iv）分別為0T、21.3T、28.3T、30.1T磁場強度下石墨的原子分辨STM圖像。

參考文獻：

1.  Peng, Y., et al., A Quaternary van der Waals Ferromagnetic Semiconductor AgVP₂Se₆. Advanced Functional Materials, 2020. 30(34): p. 1910036.

2.  Chen, W., et al., Direct observation of van der Waals stacking-dependent interlayer magnetism. Science, 2019. 366(6468): p. 983-987.

3.  Shi, H., et al., Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene. Nat Commun, 2020. 11(1): p. 371.

4.  Wang, L., et al., Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures. Nat Mater, 2018. 17(12): p. 1087-1094.

5.  Ge, Y., et al., Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td−MoTe₂ at low temperature. Physical Review B, 2020. 101(10).

6.  Meng, W., et al., 30 T scanning tunnelling microscope in a hybrid magnet with essentially non-metallic design. Ultramicroscopy, 2020. 212: p. 112975.