景行
一、【科学背景】
二维范德华磁性材料的兴起，重新激发了维度对磁相变影响的研究热潮。尽管铁磁、反铁磁等有序磁相已被证实可稳定存在于二维极限，但具备淬灭磁无序特征的自旋玻璃相，在低维体系中始终未能实现。理论预言二维自旋玻璃极难在有限温度下稳定，其临界维度与相变机制仍存争议。传统自旋玻璃依赖三维稀磁晶格与Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）间接交换作用，而二维范德华材料难以天然形成所需磁无序结构。这一空白使得低维自旋玻璃的物性与存在性成为磁学领域的关键科学问题，亟待新型二维磁体系予以验证。
二、【创新成果】
近日，德国马克斯·普朗克微结构物理研究所Banabir Pal 与 Stuart S. P. Parkin等人首次在二维范德华磁性材料Fe3GeTe2（FGT）中实现稳定的自旋玻璃态。团队发现FGT范德华间隙存在10%~15%随机分布的自插层Fe原子，构成淬灭磁无序晶格；通过直流/交流磁化率测试，观测到自旋玻璃标志性的频率依赖、老化、混沌与记忆效应。更关键的是，该自旋玻璃态可稳定保持至单胞层二维极限，证实二维自旋玻璃真实存在。研究揭示层内铁磁序与间隙自旋玻璃的耦合机制，突破低维自旋玻璃理论与实验瓶颈，为二维磁学及自旋电子器件研究提供全新体系。
图1（A）FGT侧视结构模型；（B）沿[0001]方向投影的电子电荷密度等高线图；（C）差分电荷密度等高线图；（D）直流磁化强度随温度的变化；（E、F）交流磁化率实部与虚部随温度的变化。© 2026 Science
图2（A）不同频率下交流磁化率虚部随时间的演化；（B、C）自旋玻璃能级结构的示意图；（D）负温度循环下磁化率虚部的变化；（E）磁场诱导的混沌/重生效应；（F）升降温循环中的混沌与记忆效应。©2026 Science
作者先通过晶体结构分析，确定FGT存在Fe空位与范德华间隙中10%~15%随机分布的自插层Fe，构成自旋玻璃的无序结构基础；再经磁性测试，发现FC/ZFC磁化曲线低温分离，交流磁化率在~200K呈现显著频率依赖性，证明材料具有慢自旋动力学，排除普通磁有序与超顺磁可能。接下来，作者验证自旋玻璃的标志性行为：观测到老化效应（磁化率虚部随时间弛豫），通过能级示意图阐释自旋玻璃的层级亚稳态结构，并在温度/磁场循环中发现混沌（重生）与记忆效应，这些特征共同坐实FGT的自旋玻璃基态。
图3（A、B）霍尔输运与磁光克尔效应测得的交流磁化率实部随温度的变化；（C）不同温度下的反常霍尔数据。©2026 Science
图4（A）最薄FGT薄片的光学显微图；（B）单胞层FGT的交流磁化率实部；（C）单胞层样品的反常霍尔效应；（D）单胞层薄膜的老化与混沌效应；（E）FGT体系的温度–厚度磁相图。©2026 Science
针对17 nm超薄FGT薄片，作者采用霍尔输运与磁光克尔效应（MOKE）两种独立方法，均测得交流磁化率的频率依赖色散，证实薄样中仍存在自旋玻璃特有的慢自旋动力学；同时通过反常霍尔效应测试，明确超薄样品的磁滞与转变温度特征，排除测试方法干扰。作者进一步将样品减至单胞层极限，光学显微图确认超薄厚度，单胞层样品仍呈现磁化率频率色散与反常霍尔信号；制备的单胞层薄膜也观测到老化、混沌效应；结合温度-厚度磁相图，揭示居里温度随厚度降低而下降，但自旋玻璃动力学全程保留，确凿证明二维自旋玻璃真实存在。
该研究首次在二维范德华磁性材料Fe3GeTe2（FGT）中实现稳定的自旋玻璃态，以“Realization of a spin glass in a two-dimensional van der Waals material”为题发表在国际顶级期刊Science上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，本文成功在二维范德华磁性材料FGT中实现稳定自旋玻璃态，首次证实二维极限下自旋玻璃可真实存在，突破低维自旋玻璃难以稳定存在的理论预判。研究发现，材料范德华间隙中随机分布的自插层Fe原子构成淬灭磁无序晶格，是自旋玻璃形成的核心结构基础；实验观测到频率依赖的慢自旋动力学及老化、混沌、记忆效应等自旋玻璃典型特征，且该态在单胞层厚度下仍可保持。机制上，间隙Fe原子通过类RKKY间接交换作用耦合，自旋玻璃形成依赖于层内Fe的铁磁序。该工作填补了二维磁体自旋玻璃研究空白，明晰了低维磁有序与自旋玻璃态的耦合规律。未来可拓展至更多自插层范德华磁体系，深入调控维度、缺陷浓度等参数优化自旋玻璃性能，为低维自旋电子器件、高密度磁存储与量子磁学研究提供全新材料与思路。
原文详情：Keller, J., Kiselman, K., Donzel-Gargand, O. et al. Realization of a spin glass in a two-dimensional van der Waals material. Science (2026). https://doi.org/10.1126/science.adp0091
本文由景行撰稿
