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材料前沿 低維磁性材料

發布時間:2020-06-23 信息來源: 查看次數:206

                       材料前沿 低維磁性材料


      磁性材料是一類古老而又年輕的基礎功能材料。早至春秋戰國時期我們祖先發明的司南(圖1),近到支撐近現代工業的各類機電裝備,磁性材料貫穿了人類的文明史。迄今,以永磁材料、軟磁材料、磁存儲材料等為代表的多種磁性材料不僅在航空航天、核能工業等軍工和民用高技術領域發揮著不可替代的關鍵作用,而且廣泛地應用于醫療裝備、交通運輸、信息的存儲和傳輸等日常生活中。

圖1 根據東漢時期思想家王充寫的《論衡》仿制的司南模型

       時至今日,磁性材料的人均使用量已經成為社會現代化的重要標志之一。近年來,納米科學與技術的快速發展為磁性材料注入了新的活力。一方面,傳統磁性材料如永磁材料、軟磁材料等在自身結構實現納米化之后展現出一系列新的物理和化學性能,特別是有別于傳統大塊粗晶材料的內稟和外稟磁學性能,開辟了新的應用領域。另一方面,低維磁性材料的出現及其所蘊藏的奇異性質極大地豐富了磁性材料家族。如磁性薄膜材料中發現的巨磁電阻效應和隧道磁電阻現象(圖2)等推動了自旋電子學的發展,相關應用使磁記錄效能實現了驚人飛躍,成果獲2007年諾貝爾物理學獎。

圖2 巨磁電阻效應和隧道磁電阻。法國科學家艾爾伯-費爾和德國科學家皮特-克魯伯格被授予2007年度諾貝爾物理學獎,以表彰他們發現巨磁電阻效應的貢獻。

        低維磁性材料具有與傳統三維磁性材料截然不同的重要特性。隨著磁性材料的維度降低,量子效應隨之增強,低維磁性材料顯示出完全不同于傳統磁性材料的量子特征,導致比三維材料體系具有更加豐富多彩的新奇量子效應。同時,受限磁結構可以使得原本在三維材料中可忽略的界面效應、尺寸效應、維度效應和拓撲效應展現出來。由于空間維度的降低,電子的電荷、自旋、軌道和晶格自由度之間的關聯與耦合也會被局域加強,使得自旋量子態對磁場、電場、應力場、光場和溫度場等外場的響應更加豐富和更加顯著,從而有助于實現多樣化的高靈敏量子調控;既有助于揭示相關量子效應的物理本質,促進凝聚態物理學的發展,又有助于制備新型的磁性功能材料和獲得可行的量子調控途徑,為設計新型微電子與信息技術器件提供重要的原理儲備;進而豐富受限小量子體系的量子調控的物理內涵,并為發展具有超高密度、超快速度和超低功耗的下一代信息功能器件提供科學基礎及部分應用技術(圖3)。

圖3 硬盤存儲密度的發展趨勢圖(HGST, 2013)。插圖是希捷(Seagate ST33232A硬盤和磁頭)。

       隨著低維磁性材料的制備、表征和相關理論研究等方面突飛猛進的發展,對本領域形成的最新成果的及時梳理和總結已成為磁性材料和磁性學科發展的必然需求?!兜途S磁性材料》一書正是在這一背景下應運而生的。全書涵蓋了磁性材料的磁學基礎知識、特性、分類與應用以及低維磁性材料的基本特性、制備方法、微結構表征。在此基礎上,詳細介紹了低維永磁材料、低維軟磁材料、低維磁存儲材料和自旋電子學相關的多種低維磁性材料。對低維磁性材料的研究及其在傳統工業、民用、生物醫學、軍事和交通等領域的應用具有直接的參考或指導作用(圖4)。


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