量子物态与器件研究中心合作揭示单轴磁晶各向异性的新奇温度依赖特性

“磁各向异性”是指物质的磁性随方向而变化的现象，该现象对于磁性材料的稳定性、存储器件的尺寸、寿命、翻转、功耗以及磁共振等方面都非常关键，其不仅是理解磁性材料微观机制的核心物理参数，更是现代自旋电子学技术发展的基石。从高密度存储到高效能源转换，其定向调控能力推动了自旋电子学和磁性材料设计与器件性能的突破。随着信息技术、纳米技术和量子调控的发展，磁各向异性的精准操控在下一代自旋电子学和磁性功能器件中的角色变得越来越关键[Rev. Mod. Phys. 89, 025008 (2017)]。

这其中单轴磁晶各向异性的温度依赖更是实现超高密度磁存储介质、理解磁斯格明子复杂相图以及优化自旋电子学器件的关键课题。对于绝大多数铁磁体，表征单轴磁晶各向异性温度依赖的Ku1(T)通常多符合经典的Akulov-Zener-Callen-Callen (AZCC)指数律，这种AZCC型Ku1(T)随温度的上升会表现出快速下降的趋势，极少数铁磁体如三维Fe3GeTe2块材中存在的遵循Carr模型的反常Ku1(T) [汤怒江等，Phys. Rev. B 109, L060404 (2024)]。

南京大学物理学院与浙江大学量子物态与器件研究中心合作在二维铁磁体中揭示了一种单轴磁晶各向异性的新奇温度依赖特性，即发现AZCC和Carr型Ku1(T)能同时出现在一个体系中。该成果以“Exotic Temperature Dependence of Uniaxial Magnetocrystalline Anisotropy in a Two-Dimensional Ferromagnet”为题，发表于Physical Review Letters上[Phys. Rev. Lett. 134 , 116702 (2025)]。

与界面磁各向异性不同[杨洪新等，Phys. Rev. B 84， 054401 (2011)，引用800余次]，也与三维铁磁体Fe3GeTe2块材中存在的遵循Carr模型的反常Ku1(T) [汤怒江等，Phys. Rev. B 109, L060404 (2024)]不同，Carr型Ku1(T)的特征是随温度的升高会表现出先上升再下降的趋势。南京大学和浙江大学合作团队发现二维Fe3GeTe2中具有一种前所未有的新奇Ku1(T)行为。具体来说：其在20 K以下为经典的Akulov-Zener-Callen-Callen (AZCC)型快速下降趋势的Ku1(T)，而其在20 K以上突然转变为了Carr型快速上升趋势的Ku1(T) （图1(a)）。通过分析饱和磁化强度MS以及类顺磁磁化率χp随温度的变化关系后发现，在Ku1(T)发生转变的20 K处，MS(T)出现了一个异常，且χp(T)出现了剧烈下降的趋势（图1(b,c)），这些迹象均表明在20 K以上，局域磁矩间的铁磁交换耦合得到了增强。

图1：二维Fe₃GeTe₂的K_u1 (a)、M_S (b)和χ_p (c)随温度的变化关系。

这两种类型的Ku1(T)均对优化自旋电子学器件，特别是热辅助磁存储技术有重要作用。然而到目前为止，却从未发现AZCC和Carr型Ku1(T)能同时在一个体系中出现。

该铁磁交换耦合的增强有利于在高温下保护双离子各向异性，若此时二维Fe3GeTe2的晶格动力学性质满足相应条件将可触发Ku1(T)从AZCC型到Carr型的转变。为深入探究这一点，研究团队从第一性原理计算结合变温X射线衍射技术进行了深入研究（图2），结果表明：晶格热膨胀系数的符号在20 K前后出现了从负到正的改变，表明该体系的晶格动力学性质有利于Carr型Ku1(T)出现。此外，对体系键角随温度变化的考察以及电子能带结构的计算结果表明：20 K以上铁磁交换耦合的增强由超交换与Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida相互作用所贡献。该工作强调铁磁交换耦合与晶格动力学性质的联合作用在触发Carr型Ku1(T)的过程中扮演了重要角色，揭示了对单轴磁晶各向异性温度依赖的基本物理图像，为优化热辅助磁记录技术等自旋电子学器件的应用提供科学指导。

图2：(a-c) 二维Fe₃GeTe₂各晶格参数随温度的变化关系。 (d) Fe₃GeTe₂晶格结构示意图。(e-g) 二维Fe₃GeTe₂中Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida相互作用的第一性原理计算结果。

该工作由南京大学和浙江大学合作完成。南京大学博士研究生刘佳伟（导师汤怒江）、浙江大学和南京大学联合培养博士后蒋家伟博士（合作导师杨洪新）为论文共同第一作者，汤怒江教授和杨洪新教授为论文共同通讯作者，都有为院士和常凯院士给予了诸多指导。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、国家博士后研究人员资助计划等的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116702