由钴-卡格梅平带介导的室温垂直各向异性反铁磁体 Co3Mo

这类新磁性薄膜为何重要

从智能手机到数据中心，现代设备都依赖微小磁性比特来存储信息。要让这些比特更小、更快且更节能，需要材料的磁化方向能清晰地指向薄膜之外，在室温下保持稳定，并能以极低能耗被控制。本文介绍了一种钴-钼化合物 Co3Mo，它能天然形成特殊的三角原子排列并表现出不寻常的磁学特性，可能有助于构建下一代存储与逻辑器件。

电子的平坦格局

本工作的核心是称为卡格梅晶格的几何图案，这是一种由角相连三角形构成的二维网络。在 Co3Mo 中，钴原子形成堆叠的卡格梅层，钼原子位于层间六角形的中心。理论预测这种构型会产生“平带”，即电子几乎不移动而在局部聚集的能带。研究人员使用先进的计算方法绘制了电子结构，发现这些平带非常靠近材料的费米能量——最活跃电子所在的能级。这种电子的高度聚集有利于磁性的形成，同时也支持与电子运动几何相关的异常输运效应。

制备并探测薄膜

为验证这些理论特征在实际器件中是否保留，团队在蓝宝石晶片上通过溅射沉积并高温退火生长了 Co3Mo 薄膜。X 射线衍射与电子显微镜确认薄膜为具有预期六方结构且卡格梅层整洁堆叠的单晶。随后研究人员使用角分辨光电子能谱，这种用软 X 射线把电子弹出的技术可测量电子的能量和动量。测量直接揭示了卡格梅格局的标志：类狄拉克锥状能带、导致强响应的鞍点，以及关键的、位于费米能量略下方几乎无色散的平带，这与计算结果一致，证实了薄膜中的特殊电子结构。

指向垂直的非凡磁性

磁性测量表明 Co3Mo 表现为一种反铁磁性（ferrimagnet），其中钴和钼的自旋沿相反方向排列，使得总体磁化较小但不为零。值得注意的是，这种材料在室温下偏好其磁化指向薄膜平面垂直方向，这一特性称为垂直磁各向异性。对平面内外施加磁场测得的磁滞回线显示出较大的各向异性场和可观的矫顽场，意味着磁化在出膜方向被强烈锁定并且不易翻转。X 射线磁性圆二色性测量证实钴承担了大部分磁矩，而总体磁化小、信号弱则反映了卡格梅磁体典型的平带影响。

用重元素调控磁性

为了使材料更适合器件应用，作者用部分铂替代了钼，铂为较重元素，可增强自旋轨道相互作用。在 Co3Mo1−xPtx 薄膜中，适量的铂显著提高了矫顽场并加强了垂直各向异性，同时仍保持较低的总体磁化。结构研究表明，当铂含量超过某一阈值时晶体结构会发生变化，从而有利的磁学行为消失，表明在约 17% 铂附近存在一个“甜点”，在此处卡格梅基结构与强各向异性共存。与自旋电子学中已有的垂直磁性材料相比，Co3Mo–Pt 薄膜处于低磁化但高矫顽场的独特区间，这对降低翻转比特所需电流同时保持稳定性非常有吸引力。

对未来器件的意义

简言之，这项研究鉴定出一种在室温下总体磁化很小但磁矩垂直指向表面且不易扰动的磁性薄膜。卡格梅几何、平带电子结构以及增强的自旋轨道效应的组合，使得 Co3Mo 及其掺铂变体能承载与能带结构相关的稳定且可调磁性。这使这些材料成为探索平带与拓扑物理学以及设计更高效、更小型自旋器件（用于信息存储与处理）的有前景平台。

引用: Ishida, K., Fujiwara, K., Nakazawa, K. et al. Room-temperature perpendicular-anisotropic ferrimagnet Co₃Mo mediated by cobalt-kagome flat band. Commun Mater 7, 116 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01131-y

关键词: 卡格梅磁体, 垂直磁各向异性, 平带, 自旋电子学, Co3Mo 薄膜