導語：在納米世界裡，磁性已被證明是真正令人驚訝的。只有幾個原子那麼厚的磁性二維材料可以為越來越小的後硅電子器件提供基體。
VdW材料是由由弱範德瓦爾斯鍵連接在一起的超薄層堆疊而成。石墨烯的恆星物質激發了科學家們的成功，他們開始尋找其他二維晶體，這些晶體具有可以改變、添加或移除的層，以引入新的物理特性，比如磁性。材料中的每個電子都像一個微型羅盤，有自己的南北兩極。這些“羅盤指針”的方位決定了磁化強度。更具體地說，磁化產生於電子的自旋(磁矩)，並取決於溫度。鐵磁體與標準電冰箱磁體一樣，其磁性能低於磁轉變溫度居里溫度(Tc)。
當所有的磁矩對齊時，所有的“羅盤針”都指向同一個方向。相比之下，其他材料則是反鐵磁材料，這意味著在轉變溫度下——稱為尼爾溫度(TN)——“羅盤指針”指向相反的方向。在溫度高於Tc或TN時，單個原子矩沒有對齊，材料失去了磁性。然而，在將材料還原到二維納米尺度時，情況會發生巨大變化。一塊超薄的冰箱磁鐵片可能會顯示出與整個物體不同的特徵。這是因為二維材料對溫度波動更敏感，溫度波動會破壞排列良好的“羅盤指針”。
例如，傳統的大塊磁體，如鐵和鎳，在二維時的Tc比三維時低得多。在其他情況下，2d中的磁性真的取決於厚度：三碘化鉻(CrI3)是以鐵磁為單層，以反鐵磁為雙層，再以鐵磁為三層。然而，還有其他的例子，如鐵三硫低磷酸(FePS3)，它顯著地保持它的反鐵磁順序完整，一直到單層。製造二維磁性材料的關鍵是控制其自旋波動。具有首選自旋方向的二維材料(磁各向異性)更有可能具有磁性。各向異性也可以通過添加缺陷、磁摻雜劑或玩弄電子自旋與電子繞核運動產生的磁場之間的相互作用來人為引入。
然而，這些都是具有技術挑戰性的方法。朴槿惠用一個類比來解釋:“這就像監督一群不安分、行為不端的孩子，每個孩子都代表著一個原子指南針。”你想讓他們排好隊，但他們寧願玩。這是一項艱鉅的任務，任何幼兒園老師都會告訴你。你需要精確地知道它們在時間和空間中的運動。要控制它們，你需要立即做出反應，這在技術上非常困難。利用二維磁性vdW材料可以回答幾個基本問題。特別地，vdW材料是一個試驗檯，為一些仍未解決的數學物理模型找到實驗證據。靈活，扁平和功能性磁鐵。
這些模型解釋了與自旋相關的磁躍遷行為。特別是，伊辛模型描述了旋轉(“羅盤指針”)被限制在垂直於平面的方向上或下。XY模型允許自旋指向平面上的任何方向，最後，在海森堡模型中，自旋可以自由指向任何x、y、z方向。2016年，樸教授的團隊的IBS科學家們發現了關於伊辛模型的昂薩格爾解決方案的第一個實驗證據。他們發現FePS3的溫度在3-D和2-D都是118開爾文(零下155攝氏度)。然而，XY和Heisenberg模型在2d中遇到了更多的實驗障礙，50年後仍然缺乏證據。“石墨烯的發現讓我想知道我是否可以將磁性引入到二維材料中，就像石墨烯一樣，”Park解釋道。
物理學家繼承了研究和解釋二維世界物理特性的挑戰。儘管這一領域在學術上很重要，也很適用，但這個領域的研究還遠遠不夠。科學家們也熱衷於探索控制和操縱這些材料的電、光和機械磁性的方法。他們的苗條使他們更容易受到外界刺激。這是一個限制，但也可能是一個潛力。例如，磁性也可以通過應變來感應或調節，或者通過將重疊的層排列成特定的圖案，稱為雲紋圖案。儘管一些基本問題仍在等待答案，但控制和修改電子的自旋和磁結構有望產生幾個理想的輸出。這篇《自然透視》的評論列出了未來可能的研究方向。靈活，扁平和功能性磁鐵。
最受歡迎的應用程序之一是使用spin來存儲和編碼信息。受控自旋可以取代當前的硬盤驅動器盤，甚至成為量子計算的關鍵。特別是，自旋電子學旨在控制電子自旋。二維材料是不錯的選擇，因為與三維材料相比，它們需要更少的功耗。vdW材料可能會揭示一些奇異的物質狀態，比如量子自旋液體，這是一種假設的物質狀態，即使在極低的溫度下也會出現無序的“羅盤指針”，預計它將隱藏難以捉摸的馬約拉納費米子，這種粒子已被理論化，但從未被觀測到。
總結：此外，儘管超導性和磁性不能輕易地在同一種材料中得到滿足，但對自旋順序的修修補補可能會產生新的、非傳統的超導體。最後，雖然近年來vdW材料的清單增長很快，但迄今為止發現的磁性材料還不到10種。設計更多的材料，特別是可以在室溫下使用的材料，也是凝聚態物理學家的一個重要目標。
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