二维（2D）材料中弱层间相互作用为物性的调控引入了额外的自由度。比如，扭转双层石墨烯，通过引入魔角来微调层间范德华力，从而产生迷人的超导性。将这种2D特征借用到体相材料中可能会解锁不寻常的性能。Kagome晶格——一种顶角共享三角形的2D网络，在倒易空间中具有独特的Dirac cone和flat band——在过去几十年中越来越受欢迎。近期，邢献然教授团队取得创新突破，提出了“2D（类）双层Kagome磁体”新概念，并在具有孤立且纯净的Mn Kagome晶格的体相TbMn6Ge5Ga1化合物中表征出非凡的特性。相关工作发表在期刊J. Am. Chem. Soc.上。

图 1 原文和摘要

作者团队通过简单的化学调控，在块状 TbMn6Ge6-xGax 化合物中将层间磁相互作用降低至近零，从磁性角度定义了一类新的类二维材料——“双层Kagome磁体”（图1）。补偿性亚铁磁TbMn6Ge5Ga1在双层Kagome结构中产生了近2/3的强FiM钉扎态，并表现出1.6 T的巨大自发交换偏置（spontaneous exchange bias，SEB），超过了目前已知材料的两倍（图2a和2b）。无损短脉冲磁铁产生的高达50 T的脉冲强磁场以及水冷磁体产生的高达20 T的稳态强磁场实验（图2c和2d），进一步证实自发交换偏置效应为材料的固有属性。

通过理论计算以及低温原位加场中子衍射测试分析，表明巨大的SEB与双层Kagome中局域强FiM和弱FiM（robust and weak FiM）之间的强烈竞争密切相关（图1），并且这些rFiM/wFiM竞争通过Kagome面内的非公度磁涨落得以稳定（图3）。双层Kagome磁体（bilayer Kagome magnet）概念的提出，为在二维（类）材料中发现非凡的特性提供了新的机会。

图2 Kagome晶格REMn6(Ge, Ga)6中的自发交换偏置效应

图3 TbMn6Ge5Ga1中SEB效应的温度依赖性和低温磁结构。

该成果以"Bilayer Kagome Ferrimagnet Exhibiting Exceptional Spontaneous Exchange Bias in TbMn6(Ge, Ga)6."为题，近期发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。论文第一作者为北京科技大学固体化学研究所博士生许翰坤，共同一作为香港城市大学李文杰博士，通讯作者为固体化学研究所邢献然教授和林鲲教授。该工作得到国家自然科学基金的资助。论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c17505.