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。此项研究报道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）均以铁磁材料作为存储单元。而反铁磁材料的磁态相比于铁磁体，其杂散场弱、动力学过程快等优势有助于开发更高密度、更快运行速度的磁性存储器。然而，反铁磁体没有宏观磁化，如何可靠地调控其磁态（奈尔序）的方向是应用于磁存储的一个重要技术难题。
近年来，二维范德华反铁磁体系因其丰富的反铁磁基态和多样的物性调控手段而备受关注。其中，层间反铁磁体尤为特殊，其层内保持铁磁耦合，层间为反铁磁耦合，且后者的耦合强度较前者相差甚远，因而材料的奈尔序更易实现调控。在已报道的二维层间反铁磁体中，如CrI3与CrSBr，研究团队已对其磁场下的磁态演变特性有所研究，均表现为层间自由型——反铁磁态随磁场相继逐层翻转。但这种方式下，调控奈尔序的同时会破坏原有反铁磁态。更理想的反铁磁调控是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。
二维层间反铁磁的两类磁化翻转行为
此外，如何探测二维层间反铁磁性也面临诸多技术瓶颈与实验挑战。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。
对此，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[Nature 572（7770）: 497-501 （2019）]。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。
“非线性光学二次谐波的信号强度不受限于材料的总磁化强度，而是对材料晶格和磁结构的对称性极为敏感，加之其具有单层灵敏度，因此特别适合于表征常规实验手段无法探测的二维反铁磁性。”吴施伟教授介绍说，“尽管如此，强磁场下的非线性光学研究极易受测量系统中非材料本征的法拉第效应的影响，不过我们也具备相应解决方案以有效剔除实验假象。”
当有了光学二次谐波这盏低维反铁磁性的‘探照灯’后，团队便能目睹各种二维反铁磁体在磁场下的真实行为。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。
同为层间反铁磁体，为何存在两种截然不同的磁翻转行为？这个问题的答案，需要深入到磁性的微观相互作用中去寻找。由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的理论框架。
袁喆教授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。
此研究工作报道了一类“Stoner-Wohlfarth反铁磁体”，利用非线性磁光显微技术揭示了其独特的层间锁定型的整体切换行为，这与层间自由型体系中观察到的逐层翻转机制形成鲜明对比。通过完善经典铁磁性的Stoner-Wohlfarth模型并应用于层状反铁磁体系，研究团队揭示了这两类反铁磁体的本质区别并给出了Stoner-Wohlfarth反铁磁体的标准判据。此外，团队还进一步证实了“层共享效应”在二维层间反铁磁体系的普遍性。
作为铁磁性的“氢原子模型”，Stoner-Wohlfarth模型为基于铁磁体的二进制数据计算以及信息存储磁器件设计提供了重要指导。本研究提出的拓展Stoner-Wohlfarth模型及“Stoner-Wohlfarth反铁磁体”的概念将为反铁磁动力学基础研究以及技术应用带来变革性突破。此外，该工作中基于光学二次谐波的非线性磁光显微表征技术，在深入探索低维磁性的奇异物性与新颖现象上表现出巨大价值与潜力，为未来低维磁性材料集成到自旋电子学以及光电子领域中开辟了新的途径。
原标题：《反铁磁材料研究迈出关键一步！复旦科研团队最新成果登上《自然》主刊》
栏目编辑：郜阳
来源：作者：新民晚报 张炯强
