维度效应对物理系统的量子态具有决定性作用。由于维度限制，二维磁性体系表现出各种新奇的性质，例如高转变温度的长程磁性、可调磁结构和量子反常霍尔效应等。这些性质不仅具有重要的科学意义，而且有广泛的应用前景。然而，高质量低维薄膜或异质结的制备难度，往往阻碍其物性及应用研究。另一方面，三维材料天然存在的表面是研究二维体系的理想平台，很多新奇的二维性质包括磁性都可以在三维块体表面实现。

近年来，一种亚稳态的过渡金属硫族化合物1T-CrTe₂由于其室温磁转变温度和可调的磁性而备受关注，但是高质量二维薄膜的制备难度一定程度上阻碍了对其磁性的研究。与CrTe₂不同，碱金属插层的CrTe₂块体例如NaCrTe₂可以稳定存在，其表面为研究CrTe₂的磁性及其演化提供了另一种可能。

近期，金沙总站6165地址物理系杨乐仙课题组和合作者利用角分辨光电子能谱和第一性原理计算方法，系统地研究了范德瓦尔斯反铁磁体NaCrTe₂的电子结构。实验观察到了磁交换作用导致的能带劈裂，其电子结构与反铁磁相的NaCrTe₂不同，而与铁磁相的单层CrTe₂相符，更为重要的是，即使在远高于体相NaCrTe₂的反铁磁转变温度，能带劈裂依然存在。这些实验现象表明反铁磁体NaCrTe₂表面存在量子限制的二维铁磁态。

图1. (a) NaCrTe₂的电子结构随温度的演化。（b)、（d）不同温度下的动量和能量分布曲线，展示了交换劈裂的演变。（c)、（e）费米能级处的动量劈裂和沿图（a）中竖直虚线的能量劈裂随温度变化的关系，黑线是对数据的平均场模型的拟合结果。

实验通过温度调节和原位表面碱金属掺杂，进一步证实了二维铁磁态的可控调节。表面磁性导致的交换劈裂大小随着温度显著变化，且符合平均场理论的预期（图1）。在碱金属掺杂下，能带交换劈裂逐渐消失，磁转变温度也随着掺杂而降低，表明二维铁磁性被抑制。这种对表面磁性相关的交换劈裂和磁转变温度进行的有效调控为理解量子限制的二维磁性提供了新的实验信息和平台。

该研究成果以“Quantum-Confined Tunable Ferromagnetism on the Surface of a van der Waals Antiferromagnet NaCrTe₂”为题发表在Nano Letters上。物理系2021级博士生李义典为论文的第一作者，物理系杨乐仙副教授和牛津大学陈宇林教授为共同通讯作者。该研究的合作者还包括中科院物理所的郭建刚和陈小龙研究员，以及来自瑞士光源的研究者们。该研究得到了科技部、北京市自然科学基金、国家自然科学基金和金沙总站6165地址自主科研计划的支持。

文章链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01542