發現低維反鐵磁的“集體舞蹈”，復旦團隊最新成果《自然》在線發表
北京時間2026年1月29日《自然》（Nature）雜誌在線發表了復旦大學物理學研究團隊題爲《斯通納-沃爾法思反鐵磁體的鐵磁型雙穩態翻轉》的研究成果，揭示了一類特殊的低維反鐵磁體系能夠在外磁場下像鐵磁體一樣展現出確定性的雙穩態整體切換。團隊成員利用自主開發的多模態磁光顯微技術成功捕捉到這一現象，並完善經典的磁學理論框架用以描述其背後的物理機制。
該工作揭示了低維層間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，爲開發新一代低功耗、高速運算芯片提供了新路徑。
尋找新型反鐵磁材料對於構建新型存儲器件至關重要
磁性材料探索和磁性理論研究持續推動信息技術發展。常規磁性設備，如機械硬盤、磁隨機存儲器等，都以鐵磁材料作爲存儲單元，其非零磁化可天然用於二進制數據的存儲：磁化方向爲“上”代表“0”，而“下”則爲“1”。
類似地，反鐵磁材料的磁態（奈爾序）也可表示爲二進制比特位。相比於鐵磁體，它更有助於開發更高密度、更快運行速度的磁性存儲器。但是，如何可靠地調控奈爾序的方向是其應用於磁存儲的一個重要技術難題。
尤其是要能夠在保持反鐵磁態的基礎上實現奈爾序方向的切換，即層間鎖定型——所有磁性層同時發生整體性的雙態切換，尋找滿足這一要求的反鐵磁材料對於構建基於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爲
此外，如何探測二維層間反鐵磁性也面臨諸多技術瓶頸與實驗挑戰。
傳統實驗方法難以適用於表徵僅原子級厚度、微米級橫向尺寸的層狀反鐵磁材料，國際上也長期缺乏有效的實驗研究平臺。
復旦大學物理學系吳施偉教授領銜的實驗團隊基於多年的技術積澱，設計併成功研製了具有自主知識產權的無液氦多模態磁光顯微系統。結合非線性光學二次諧波技術，吳施偉教授團隊曾在二維反鐵磁材料CrI3中觀測到源於層間反鐵磁性的巨大非互易二次諧波響應，相關成果發表在頂尖科技期刊上。這項創新性研究揭示了非線性光學響應與磁對稱性間的內在關聯，爲後續二維磁性體系中新奇磁學現象的探索建立了新型範式。
實驗發現最新現象，理論創新完善經典模型
當有了光學二次諧波這盞低維反鐵磁性的“探照燈”後，團隊便能目睹各種二維反鐵磁體在磁場下的真實行爲。
與CrI3和CrSBr等材料截然不同的是，團隊成員在另一種層間反鐵磁體CrPS4中表徵二次諧波響應時，觀測到偶數層樣品的信號強度在磁場下竟表現爲單一的磁滯回線。這表明CrPS4的反鐵磁奈爾序可實現層間鎖定型的理想反鐵磁調控路徑！這一現象讓團隊成員們興奮不已，意味着反鐵磁體猶如鐵磁體一樣可以被磁場整體切換，並能用非線性光學的手段靈敏地探測到這一“集體舞蹈”，令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。
同爲層間反鐵磁體，爲何存在兩種截然不同的磁翻轉行爲？
復旦大學理論物理與信息科學交叉中心袁喆教授領銜的理論團隊，爲該工作的實驗現象提供了堅實而優美的理論框架。
袁喆團隊首先通過微磁模擬，精準復現了實驗中觀察到的兩類磁切換行爲。結果表明，決定磁翻轉模式的關鍵，在於材料內部層間反鐵磁耦合與磁各向異性之間的競爭。當層間耦合足夠強大，足以克服磁各向異性設定的翻轉勢壘時，一層磁矩的翻轉便會“牽一髮而動全身”，迫使相鄰層同步轉向，從而實現層間鎖定式的整體翻轉。否則每層將“各自爲戰”，表現出逐層切換的層間自由型行爲。
然而，如何衡量兩類行爲的邊界，以定量判斷任意二維層狀反鐵磁體的磁切換行爲？這迫使團隊成員尋找更爲本質的物理圖像。
“鐵磁學裏有一個非常經典的模型，即Stoner-Wohlfarth模型，它描述的是理想鐵磁性納米顆粒在磁場下的相干磁翻轉，就像一枚剛性小磁針在外場下的整體轉向。”袁喆聯想到，“層間鎖定型的反鐵磁體恰如反鐵磁中的剛性小磁針。但這種行爲在傳統塊狀反鐵磁體中通常不會出現，因爲其內部不可避免的缺陷將破壞反鐵磁序的空間一致性。而層間反鐵磁體不同，其範德華界面保證了反鐵磁相互作用的均一性，進而實現步調一致的整體翻轉行爲。這意味着我們可以嘗試把經典的Stoner-Wohlfarth鐵磁模型推廣到反鐵磁的世界裏，用於描述這類具有理想翻轉特性的‘Stoner-Wohlfarth反鐵磁體’。”
沿着這一思路，團隊成員創新地提出Stoner-Wohlfarth反鐵磁模型，並推導出反鐵磁的“特徵交換尺寸”以充當兩類行爲的判據。這一簡潔而深刻的判據，最終不僅完美解釋了現有實驗，更像一張導航圖，爲未來按需設計與搜尋具有理想翻轉特性的反鐵磁材料提供了理論指引。
同時，研究團隊還提出“層共享效應”。值得一提的是，這一效應最先由吳施偉教授團隊在層間自由型CrSBr中指出並於2025年發表。無獨有偶，該工作在層間鎖定型CrPS4中同樣發現了該效應。
吳施偉、袁喆爲該工作的共同通訊作者。復旦大學博士生王佔山、相怡寧爲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，餘偉超青年研究員共同參與理論計算。上海科技大學米啓兮教授和柳仲楷教授課題組爲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爲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爲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的支持。
