追踪,发现低维反铁磁的“集体舞蹈”，复旦团队最新成果《自然》在线发表

北京时间2026年1月29日《自然》（Nature）杂志在线发表了复旦大学物理学研究团队题为《斯通纳-沃尔法思反铁磁体的铁磁型双稳态翻转》的研究成果，揭示了一类特殊的低维反铁磁体系能够在外磁场下像铁磁体一样展现出确定性的双稳态整体切换。团队成员利用自主开发的多模态磁光显微技术成功捕捉到这一现象，并完善经典的磁学理论框架用以描述其背后的物理机制。 该工作揭示了低维层间反铁磁体磁化翻转的关键因素与独特效应，推动反铁磁材料研究迈出从“有趣而无用”到“可读可写”的关键一步，为开发新一代低功耗、高速运算芯片提供了新路径。 磁性材料探索和磁性理论研究持续推动信息技术发展。常规磁性设备，如机械硬盘、磁随机存储器等，都以铁磁材料作为存储单元，其非零磁化可天然用于二进制数据的存储：磁化方向为“上”代表“0”，而“下”则为“1”。 类似地，反铁磁材料的磁态（奈尔序）也可表示为二进制比特位。相比于铁磁体，它更有助于开发更高密度、更快运行速度的磁性存储器。但是，如何可靠地调控奈尔序的方向是其应用于磁存储的一个重要技术难题。 尤其是要能够在保持反铁磁态的基础上实现奈尔序方向的切换，即层间锁定型——所有磁性层同时发生整体性的双态切换，寻找满足这一要求的反铁磁材料对于构建基于反铁磁的新型存储器件至关重要。 传统实验方法难以适用于表征仅原子级厚度、微米级横向尺寸的层状反铁磁材料，国际上也长期缺乏有效的实验研究平台。 复旦大学物理学系吴施伟教授领衔的实验团队基于多年的技术积淀，设计并成功研制了具有自主知识产权的无液氦多模态磁光显微系统。结合非线性光学二次谐波技术，吴施伟教授团队曾在二维反铁磁材料CrI3中观测到源于层间反铁磁性的巨大非互易二次谐波响应，相关成果发表在顶尖科技期刊上。这项创新性研究揭示了非线性光学响应与磁对称性间的内在关联，为后续二维磁性体系中新奇磁学现象的探索建立了新型范式。 与CrI3和CrSBr等材料截然不同的是，团队成员在另一种层间反铁磁体CrPS4中表征二次谐波响应时，观测到偶数层样品的信号强度在磁场下竟表现为单一的磁滞回线。这表明CrPS4的反铁磁奈尔序可实现层间锁定型的理想反铁磁调控路径！这一现象让团队成员们兴奋不已，意味着反铁磁体犹如铁磁体一样可以被磁场整体切换，并能用非线性光学的手段灵敏地探测到这一“集体舞蹈”，令反铁磁材料研究迈出从“有趣而无用”到“可读可写”的关键一步。 复旦大学理论物理与信息科学交叉中心袁喆教授领衔的理论团队，为该工作的实验现象提供了坚实而优美的理论框架。 袁喆团队首先通过微磁模拟，精准复现了实验中观察到的两类磁切换行为。结果表明，决定磁翻转模式的关键，在于材料内部层间反铁磁耦合与磁各向异性之间的竞争。当层间耦合足够强大，足以克服磁各向异性设定的翻转势垒时，一层磁矩的翻转便会“牵一发而动全身”，迫使相邻层同步转向，从而实现层间锁定式的整体翻转。否则每层将“各自为战”，表现出逐层切换的层间自由型行为。 然而，如何衡量两类行为的边界，以定量判断任意二维层状反铁磁体的磁切换行为？这迫使团队成员寻找更为本质的物理图像。 “铁磁学里有一个非常经典的模型，即Stoner-Wohlfarth模型，它描述的是理想铁磁性纳米颗粒在磁场下的相干磁翻转，就像一枚刚性小磁针在外场下的整体转向。”袁喆联想到，“层间锁定型的反铁磁体恰如反铁磁中的刚性小磁针。但这种行为在传统块状反铁磁体中通常不会出现，因为其内部不可避免的缺陷将破坏反铁磁序的空间一致性。而层间反铁磁体不同，其范德华界面保证了反铁磁相互作用的均一性，进而实现步调一致的整体翻转行为。这意味着我们可以尝试把经典的Stoner-Wohlfarth铁磁模型推广到反铁磁的世界里，用于描述这类具有理想翻转特性的‘Stoner-Wohlfarth反铁磁体’。” 沿着这一思路，团队成员创新地提出Stoner-Wohlfarth反铁磁模型，并推导出反铁磁的“特征交换尺寸”以充当两类行为的判据。这一简洁而深刻的判据，最终不仅完美解释了现有实验，更像一张导航图，为未来按需设计与搜寻具有理想翻转特性的反铁磁材料提供了理论指引。 同时，研究团队还提出“层共享效应”。值得一提的是，这一效应最先由吴施伟教授团队在层间自由型CrSBr中指出并于2025年发表。无独有偶，该工作在层间锁定型CrPS4中同样发现了该效应。 吴施伟、袁喆为该工作的共同通讯作者。复旦大学博士生王占山、相怡宁为该工作的共同第一作者。复旦大学刘韡韬教授、孙泽元助理教授等共同参与研究讨论，余伟超青年研究员共同参与理论计算。上海科技大学米启兮教授和柳仲楷教授课题组为该工作提供了高质量CrSBr晶体。中国人民大学雷和畅教授课题组为该工作提供了高质量CrI3晶体。复旦大学张远波教授和阮威青年研究员课题组为该工作提供了高质量MnBi2Te4样品。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、上海市科委和上海市教委等的支持。