復(fù)旦《Nature》：推動(dòng)反鐵磁材料研究邁出關(guān)鍵一步！

在磁學(xué)領(lǐng)域中，物理學(xué)家們對(duì)一種叫“反鐵磁”的材料又愛又愁。它比人們手機(jī)、電腦里使用的鐵磁更穩(wěn)定、更抗干擾，而且理論上運(yùn)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(duì)緊緊抱在一起、方向完全相反的磁鐵，整體看起來(lái)沒有磁性，也對(duì)外磁場(chǎng)不敏感。因此，常規(guī)手段難以探測(cè)到它，且很難去操控和改變它的狀態(tài)。正因如此，因反鐵磁理論工作獲諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)家Louis Néel認(rèn)為，反鐵磁材料是“有趣而無(wú)用的”（interesting but useless）。

近日，復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用表面物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳施偉、袁喆研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一類特殊的低維反鐵磁性體系，首次觀測(cè)到其在外磁場(chǎng)下展現(xiàn)出確定性的雙穩(wěn)態(tài)整體切換，并完善了經(jīng)典理論框架，用以描述其背后的物理機(jī)制。該成果揭示了低維層狀反鐵磁體磁化翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素與獨(dú)特效應(yīng)，推動(dòng)反鐵磁材料研究邁出從“有趣而無(wú)用”到“可讀可寫”的關(guān)鍵一步。相關(guān)成果于北京時(shí)間1月29日凌晨發(fā)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(dú)特的層狀磁結(jié)構(gòu)和多樣的調(diào)控手段而備受關(guān)注，有望解決這一傳統(tǒng)磁學(xué)難題。對(duì)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(duì)排列有序的舞者，每一排都面朝同一個(gè)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(gè)原子層，橫向尺寸也只有微米大小，國(guó)際上長(zhǎng)期缺乏有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用以研究。

對(duì)此，吳施偉團(tuán)隊(duì)基于多年的技術(shù)積淀，成功研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)液氦非線性磁光顯微系統(tǒng)。結(jié)合非線性光學(xué)二次諧波技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)曾在層狀反鐵磁材料CrI3中觀測(cè)到源于層間反鐵磁性的巨大二次諧波響應(yīng)，為低維反鐵磁性的實(shí)驗(yàn)研究建立了新型范式。

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

“層間反鐵磁結(jié)構(gòu)可以打破這種‘對(duì)稱性’，加之非線性光學(xué)二次諧波具有原子層靈敏度，因此特別適合于研究常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段無(wú)法探測(cè)的低維層間反鐵磁性。這跟楊振寧、李政道先生強(qiáng)調(diào)的‘對(duì)稱性是物理學(xué)根源之一’的理念是相通的。”吳施偉解釋，“盡管如此，強(qiáng)磁場(chǎng)下的非線性光學(xué)研究極易受測(cè)量系統(tǒng)中非材料本征的法拉第效應(yīng)的影響，不過(guò)我們也具備相應(yīng)解決方案以有效剔除實(shí)驗(yàn)假象。”

當(dāng)有了二次諧波這盞低維反鐵磁性的“探照燈”后，團(tuán)隊(duì)便能目睹各種層狀反鐵磁體在磁場(chǎng)下的真實(shí)行為。對(duì)于某一類二維層狀反鐵磁體，如CrI3與CrSBr，在磁場(chǎng)的作用下，每一排“舞者”都相繼逐層翻轉(zhuǎn)方向，表現(xiàn)出“層間自由型”。但這種行為下，調(diào)控磁態(tài)的同時(shí)會(huì)破壞原有反鐵磁態(tài)。

最理想的狀態(tài)，是所有磁性層同時(shí)發(fā)生“整體翻轉(zhuǎn)”，即舞者的步調(diào)完全一致，同一時(shí)間內(nèi)上下層全體同步“轉(zhuǎn)身”，在保持反鐵磁態(tài)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)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(duì)于構(gòu)建基于反鐵磁的新型存儲(chǔ)器件至關(guān)重要。

二維層間反鐵磁的兩類磁化翻轉(zhuǎn)行為

當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)在另一種層狀反鐵磁體CrPS4中表征二次諧波響應(yīng)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，偶數(shù)層CrPS4的信號(hào)強(qiáng)度在磁場(chǎng)下竟表現(xiàn)為單一的磁滯回線，這有別于CrI3與CrSBr所表現(xiàn)的逐層翻轉(zhuǎn)式的多步信號(hào)跳變。該發(fā)現(xiàn)讓團(tuán)隊(duì)興奮不已——這意味著反鐵磁體可以被磁場(chǎng)整體切換，并且能夠用非線性光學(xué)手段靈敏地捕捉到這一行為，令反鐵磁材料研究實(shí)現(xiàn)了從“有趣而無(wú)用”到“可讀可寫”的關(guān)鍵跨越。

但是，偶數(shù)層的層狀反鐵磁體整體沒有磁化，本不該受磁場(chǎng)調(diào)控，另其發(fā)生整體切換的“動(dòng)力”是什么？對(duì)此，團(tuán)隊(duì)提出“層共享效應(yīng)”。實(shí)際樣品中，奇數(shù)層與偶數(shù)層難以避免地橫向相連，而奇數(shù)層由于具有非零的磁化，故具備磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的“動(dòng)力”。因此，奇數(shù)層區(qū)域的反鐵磁態(tài)率先在磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而觸發(fā)相連的偶數(shù)層的集體翻轉(zhuǎn)，這一過(guò)程類似于“多米諾骨牌”現(xiàn)象。

二維層間反鐵磁體的“層共享效應(yīng)”

物理研究不僅在于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，更在于理解其本質(zhì)。袁喆領(lǐng)銜的理論物理團(tuán)隊(duì)，為實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)建立起了一套堅(jiān)實(shí)而優(yōu)美的理論框架。受經(jīng)典鐵磁“Stoner-Wohlfarth模型”啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)將其推廣至反鐵磁體系，創(chuàng)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(lái)定向設(shè)計(jì)高性能反鐵磁材料提供了關(guān)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(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)模型之一。它的提出與完善，生動(dòng)詮釋了理論物理和實(shí)驗(yàn)物理的緊密協(xié)作。

“我們想從理論上再往前走得更遠(yuǎn)一些，做更多的探索。”團(tuán)隊(duì)期待，該成果能為反鐵磁動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究以及技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)變革性突破，加速低維磁性研究，為未來(lái)低維磁性材料集成到自旋電子學(xué)等領(lǐng)域開辟新的路徑。

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系吳施偉教授、理論物理與信息科學(xué)交叉中心袁喆教授為該工作的共同通訊作者。復(fù)旦大學(xué)博士生王占山、相怡寧為該工作的共同第一作者。復(fù)旦大學(xué)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(jì)算。上海科技大學(xué)米啟兮教授和柳仲楷教授課題組為該工作提供了高質(zhì)量CrSBr晶體。中國(guó)人民大學(xué)雷和暢教授課題組為該工作提供了高質(zhì)量CrI3晶體。復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授和阮威青年研究員課題組為該工作提供了高質(zhì)量MnBi2Te4樣品。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委和上海市教委等各類經(jīng)費(fèi)的支持。

本文來(lái)自：復(fù)旦大學(xué)

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