復旦《Nature》：推動反鐵磁材料研究邁出關鍵一步！

在磁學領域中，物理學家們對一種叫“反鐵磁”的材料又愛又愁。它比人們手機、電腦里使用的鐵磁更穩定、更抗干擾，而且理論上運算速度能快上千倍，是制造高速率、低功耗器件的理想材料。

然而，反鐵磁像一對緊緊抱在一起、方向完全相反的磁鐵，整體看起來沒有磁性，也對外磁場不敏感。因此，常規手段難以探測到它，且很難去操控和改變它的狀態。正因如此，因反鐵磁理論工作獲諾貝爾獎的物理學家Louis Néel認為，反鐵磁材料是“有趣而無用的”（interesting but useless）。

近日，復旦大學應用表面物理全國重點實驗室吳施偉、袁喆研究團隊發現了一類特殊的低維反鐵磁性體系，首次觀測到其在外磁場下展現出確定性的雙穩態整體切換，并完善了經典理論框架，用以描述其背后的物理機制。該成果揭示了低維層狀反鐵磁體磁化翻轉的關鍵因素與獨特效應，推動反鐵磁材料研究邁出從“有趣而無用”到“可讀可寫”的關鍵一步。相關成果于北京時間1月29日凌晨發表于《自然》（Nature）。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-10019-9

近幾年，二維層狀反鐵磁材料因其獨特的層狀磁結構和多樣的調控手段而備受關注，有望解決這一傳統磁學難題。對于這種材料，它們每一層都具有鐵磁性，其磁化方向指向相同，但相鄰層的磁化完全相反。像一隊排列有序的舞者，每一排都面朝同一個方向，但相鄰兩排人彼此反向站立。然而，這種材料薄到僅有幾個原子層，橫向尺寸也只有微米大小，國際上長期缺乏有效的實驗平臺用以研究。

對此，吳施偉團隊基于多年的技術積淀，成功研制了具有自主知識產權的無液氦非線性磁光顯微系統。結合非線性光學二次諧波技術，該團隊曾在層狀反鐵磁材料CrI3中觀測到源于層間反鐵磁性的巨大二次諧波響應，為低維反鐵磁性的實驗研究建立了新型范式。

一般而言，當一束紅光照射在材料表面，反射出來的光通常也是紅色。但若材料的某種“對稱性（中心反演對稱性）”被打破，就會發出不同顏色的倍頻光。這種信號，被稱為“二次諧波”。

“層間反鐵磁結構可以打破這種‘對稱性’，加之非線性光學二次諧波具有原子層靈敏度，因此特別適合于研究常規實驗手段無法探測的低維層間反鐵磁性。這跟楊振寧、李政道先生強調的‘對稱性是物理學根源之一’的理念是相通的。”吳施偉解釋，“盡管如此，強磁場下的非線性光學研究極易受測量系統中非材料本征的法拉第效應的影響，不過我們也具備相應解決方案以有效剔除實驗假象。”

當有了二次諧波這盞低維反鐵磁性的“探照燈”后，團隊便能目睹各種層狀反鐵磁體在磁場下的真實行為。對于某一類二維層狀反鐵磁體，如CrI3與CrSBr，在磁場的作用下，每一排“舞者”都相繼逐層翻轉方向，表現出“層間自由型”。但這種行為下，調控磁態的同時會破壞原有反鐵磁態。

最理想的狀態，是所有磁性層同時發生“整體翻轉”，即舞者的步調完全一致，同一時間內上下層全體同步“轉身”，在保持反鐵磁態的基礎上實現方向的切換，即“層間鎖定型”。尋找滿足這一要求的反鐵磁材料，對于構建基于反鐵磁的新型存儲器件至關重要。

二維層間反鐵磁的兩類磁化翻轉行為

當研究團隊在另一種層狀反鐵磁體CrPS4中表征二次諧波響應時，他們發現，偶數層CrPS4的信號強度在磁場下竟表現為單一的磁滯回線，這有別于CrI3與CrSBr所表現的逐層翻轉式的多步信號跳變。該發現讓團隊興奮不已——這意味著反鐵磁體可以被磁場整體切換，并且能夠用非線性光學手段靈敏地捕捉到這一行為，令反鐵磁材料研究實現了從“有趣而無用”到“可讀可寫”的關鍵跨越。

但是，偶數層的層狀反鐵磁體整體沒有磁化，本不該受磁場調控，另其發生整體切換的“動力”是什么？對此，團隊提出“層共享效應”。實際樣品中，奇數層與偶數層難以避免地橫向相連，而奇數層由于具有非零的磁化，故具備磁場驅動的“動力”。因此，奇數層區域的反鐵磁態率先在磁場下實現翻轉，進而觸發相連的偶數層的集體翻轉，這一過程類似于“多米諾骨牌”現象。

二維層間反鐵磁體的“層共享效應”

物理研究不僅在于發現現象，更在于理解其本質。袁喆領銜的理論物理團隊，為實驗發現建立起了一套堅實而優美的理論框架。受經典鐵磁“Stoner-Wohlfarth模型”啟發，團隊將其推廣至反鐵磁體系，創新性地提出了“Stoner-Wohlfarth反鐵磁模型”，用于定量判斷任意二維層狀反鐵磁體的磁切換行為。

該模型不僅完美解釋了為何CrPS4等材料（類似的還有MnBi2Te4）是理想的反鐵磁材料，更為未來定向設計高性能反鐵磁材料提供了關鍵理論指引。日后，Stoner-Wohlfarth反鐵磁模型有望寫入教科書，成為反鐵磁領域的標準模型之一。它的提出與完善，生動詮釋了理論物理和實驗物理的緊密協作。

“我們想從理論上再往前走得更遠一些，做更多的探索。”團隊期待，該成果能為反鐵磁動力學基礎研究以及技術應用帶來變革性突破，加速低維磁性研究，為未來低維磁性材料集成到自旋電子學等領域開辟新的路徑。

復旦大學物理學系吳施偉教授、理論物理與信息科學交叉中心袁喆教授為該工作的共同通訊作者。復旦大學博士生王占山、相怡寧為該工作的共同第一作者。復旦大學劉韡韜教授、孫澤元助理教授等共同參與研究討論，余偉超青年研究員共同參與理論計算。上海科技大學米啟兮教授和柳仲楷教授課題組為該工作提供了高質量CrSBr晶體。中國人民大學雷和暢教授課題組為該工作提供了高質量CrI3晶體。復旦大學張遠波教授和阮威青年研究員課題組為該工作提供了高質量MnBi2Te4樣品。該研究得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金、上海市科委和上海市教委等各類經費的支持。

本文來自：復旦大學

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