2月18日，《New Journal of Physics》在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心徐刚教授团队题为“Confinement effect enhanced Stoner ferromagnetic instability in monolayer 1T-VSe2”的论文。中心研究生何俊毅、博士后谢庆参与相关工作。
二维铁磁序提供了一种新的操纵自旋的自由度，是制备新型自旋电子器件的理想载体。近十年来，二维磁性材料的研究逐渐成为凝聚态物理的重要研究方向。2018 年，单层1T-VSe2首次在实验上被观测到铁磁性，并且磁转变温度Tc达到室温。但是接下来的很多实验组并没有在单层中发现铁磁序，因此，单层1T-VSe2的基态到底是铁磁还是非磁也一直处于争议状态。
基于第一性原理计算，徐刚教授研究团队研究了从单层到体态的电子结构变化和铁磁机理。他们发现，相比于体态密度（图1(a)），孤立单层1T-VSe2中费米能级处的态密度大约增加了3倍，达到约9 states/eV（图1(b)）。通过对能带结构的计算和分析，研究团队发现单层时态密度的增加来自于V原子的dz2能带上的范霍夫奇点(鞍点)，如图2(a, b)。态密度的增加会极大地增强单层1T-VSe2中的斯通纳铁磁不稳定性。单层情况下斯通纳判据I•DOS达到4.5，预示着极强的铁磁不稳定性；但在层数增加到双层时I•DOS迅速衰减到2以下，如图2(c, d)。这与实验上只在单层VSe2中观测到了铁磁序的事实相一致。
图1 （a）1T-VSe2的非磁相态密度和投影态密度，（b）孤立单层VSe2的非磁相态密度和投影态密度。
进一步的研究发现，范霍夫奇点会由于层间V原子的相互作用，被推离费米能级，导致铁磁不稳定性减弱。同时，单层样品中1T-VSe2与衬底的相互作用也会有类似的效果——这合理地解释了单层VSe2/graphene体系中铁磁性的消失。反之，随着层间距的增大范霍夫奇点会被逐渐移动到费米能级；直到孤立的单层样品时，限制效应达到最大，费米能级处的态密度也达到最大。该研究不仅合理解释了单层1T-VSe2中的磁性起源及其随层厚的变化等实验现象，也为在多层1T-VSe2中实现铁磁序、提高铁磁转变温度提供了新的思路，对后续VSe2中的磁性研究和器件制备具有重要的指导意义。
图2 （a）孤立单层1T-VSe2中V原子的dz2轨道的三维能带图，（b）在鞍点附近的能带放大图，
(c) 1T-VSe2中的斯通纳判据随着层数的变化，(d) 态密度和磁交换相互作用随着层数的变化。
该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目支持。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/abdfef/meta
