PRB Rapid Communication: 存在一类二维材料（电子化合物）中的不依赖原子轨道的本征铁磁性

背景介绍

铁磁在低维度下的奇特性质一直是一个研究热点，但其稳定性使其只局限于理论研究领域。直到2017年，两个实验组分别成功制备出稳定的二维铁磁材料CrI₃和Cr₂Ge₂Te₆，引发了一波研究热潮。一些新的二维磁性材料包括Fe₃GeTe₂，VSe₂等接着被相续报告出来。所有这些材料的磁性机制都可以归结到传统基于原子轨道的理论框架如超交换作用，双交换作用，RKKY等。在这些机制中，原子轨道不仅是磁矩的直接来源（如未满壳层的d,f轨道），还通过直接或间接的杂化提供磁矩之间的相互作用。

电子化合物是一类独特的材料。其中富余的电子会在周围阳离子作用下局域在几何空间中而不占据任何原子轨道，以作为该体系的阴离子存在（因此被叫做阴离子化电子）。该类材料已被报道拥有很多奇特的性质，包括超导，拓扑性质，以及Dirac等离子体子等等。但其磁性性质涉及较少，且其物理机制缺乏深入的理解，尤其是二维电子化合物。

工作简介

有鉴于此，新加坡国立大学的冯元平教授课题组近日报道了基于二维材料数据库(2DMatPeida: http://2dmatpedia.org/)的磁性电子化合物筛选。在得到的9种二维磁性电子化合物中，有4种（LaBr₂，La₂Br₅，Sc₇Cl₁₀，Ba₂LiN）不含传统的磁性元素。以其中的LaBr₂作为例子，初步的第一性原理计算显示这类二维电子化合物的磁性来自于阴离子化电子。进一步的基于Wannier函数的约束随机相位近似和安德森超交换作用理论的分析，发现了二维磁性电子化合物中阴离子化电子同时具有局域化和离域化的双重特性。阴离子化电子的局域性质使其发生了自发自旋劈裂，提供磁矩。同时，脱离了原子轨道的束缚，阴离子化电子有分布非常延展的尾部，它们之间的相互重叠可以到延伸到次近邻之间，以至于在7-8 Å的距离下也能形成较强的直接交换作用。这种长距离的直接交换在传统基于原子轨道直接重叠的机制中是不可能存在的。

小结与展望

综上所述，作者通过对二维材料中数据库进行筛选，发现了一种新型二维磁性材料，二维电子化合物。通过进一步的研究确认这类材料中的独特磁性性质。拥有局域和离域双重性质的阴离子化电子同时提供了磁矩和它们之间特有的超长距离直接铁磁交换作用。该磁性机制可应用于其他磁性二维电子化合物。其独特的性质对自旋电子器件有潜在的应用价值。

上述工作发表于PRB (DOI: 10.1103/PhysRevB.102.180407)，论文题目为“Atomic-orbital-free intrinsic ferromagnetism in electrenes”。新加坡国立大学周军博士为本文第一作者；冯元平教授和沈雷博士为通讯作者。

图一：第一性原理计算显示阴离子化电子分布在二维LaBr₂结构六边形的中心。能带图显示该体现的磁性主要来自于阴离子化电子。

图二：在二维LaBr₂中，阴离子化电子具有像d电子轨道类似的局域性质同时类似于p轨道的离域性。无论是在自旋密度图还是Wannier投影中都可以看到局域的阴离子化电子态和它的长“尾巴”。

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