“有趣而无用”的反铁磁材料有望“可读可写”

xinwen.mobi · 发表于 2026-1-31 22:25:40

微观磁针跳起“集体舞”，反铁磁材料有望告别“有用没用”
原本在科学界被认为不好操控和探测的反铁磁材料，在复旦大学物理学研究团队的一台无液氦多模态磁光显微系统下，展示了一场整齐划一的“集体舞蹈”。

在铁磁体中，磁针都整齐地指向同一个方向，易于被外磁场调控，这是我们手机、电脑硬盘存储数据的基本原理。

反铁磁体内部则充满了方向完全相反的微观磁针，整体看起来没有磁性，难以被探测和操控。因此在半个多世纪前，因反铁磁理论获得诺贝尔奖的物理学家路易·奈尔曾感叹，反铁磁材料“有趣而无用”。

近日，《自然》杂志刊登复旦大学团队成果，他们发现了一种特殊的低维反铁磁体系，能像铁磁体一样被磁场整体控制，并且可以被精确读取。

01 “有用没用”的困境
反铁磁材料并非真的没用，它比现在常用的铁磁材料更稳定、抗干扰能力更强，理论上运算速度能快上千倍，是制造高速低功耗器件的理想材料。

其内部排列有序的微观磁针像一队排列整齐的舞者，每一排都面朝同一个方向，但相邻两排人彼此反向站立。

这类材料就像一把很难打开的精密锁具，大家知道锁的结构精巧，也知道里面藏着宝贝，但就是缺少一把能够稳定操控和探测的“钥匙”。

对于数据存储应用而言，最关键的是实现可预测、可重复的“双稳态”切换，就像电灯的“开”和“关”，对应数据“0”和“1”。

在理想的存储场景中，所有磁性层应该保持整体翻转，在不破坏原有反铁磁态的情况下实现方向的切换。

2024年夏天，吴施伟和袁喆坐在复旦物理楼的咖啡厅里讨论一个关键问题：在多种层状反铁磁材料中观察到两种截然不同的磁翻转行为，有的材料各自为战，有的却整齐划一。

“吴老师问我能不能做一个模型来描述这个现象。”袁喆回忆道。这个咖啡厅里的疑问，最终演变成了一个颠覆传统认知的发现。

02 自主研发的科学“眼睛”
要想观察这场微观磁针的舞蹈，首先得有高分辨率的“眼睛”。这是研究面临的首要技术障碍：国际上长期缺乏有效的实验平台。

由于这些二维层状反铁磁材料薄到仅有几个原子层，横向尺寸只有微米大小，传统实验方法难以对它们进行有效的表征和观察。

复旦大学吴施伟教授的实验团队，基于多年的技术积淀，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。

这一系统结合了非线性光学二次谐波技术，为低维反铁磁性的实验研究建立了全新的范式。

当一束红光照射在材料表面，如果材料的某种“中心反演对称性”被打破，就会发出不同颜色的倍频光，这种信号被称为“二次谐波”。

吴施伟解释说：“层间反铁磁结构可以打破这种‘对称性’，加之非线性光学二次谐波具有原子层灵敏度，因此特别适合于研究常规实验手段无法探测的低维层间反铁磁性。”

当有了二次谐波这盏低维反铁磁性的“探照灯”后，团队能够“亲眼目睹”各种二维反铁磁体在磁场下的真实行为。

03 “集体舞蹈”的关键发现
当研究团队将目光投向另一种层间反铁磁体——硫化磷铬时，他们观测到了完全不同的景象。

偶数层硫化磷铬的信号强度在磁场下表现为单一的磁滞回线，与之前观察到的两种材料所表现的逐层翻转式的多步信号跳变截然不同。

这引起了团队成员的极度兴奋——这意味着硫化磷铬反铁磁体的反铁磁态可以实现层间锁定型的理想反铁磁调控路径。

简单说，就是这种反铁磁体的所有微观磁针能够像铁磁体一样，可以被磁场整体切换，并且能够用非线性光学的手段灵敏地探测到这一“集体舞蹈”行为。

这个发现让一位博士生感慨：“当首次在偶数层硫化磷铬中看到其二次谐波响应并非呈现多步的信号跳变，而是单一的磁滞回线时，意味着每一层的磁针不再‘各自为战’，而是‘集体舞蹈’，同时转向。”

研究团队发现，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。

04 理论突破：新旧概念的碰撞
在实验发现的基础上，理论物理团队的贡献让这一成果更加完整。袁喆教授领衔的理论团队为实验现象提供了坚实而优美的理论框架。

理论团队通过微磁模拟，精准复现了实验中观察到的两类磁切换行为，然后提出了一个关键问题：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？

袁喆联想到：“铁磁学里有一个非常经典的模型，即斯通纳-沃尔法思模型，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。”

研究团队在此基础上创新性地提出了“斯通纳-沃尔法思反铁磁模型”，并推导出反铁磁的“特征交换尺寸”作为两类行为的判据。

这一简洁而深刻的判据，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。

值得一提的是，这是顶刊论文标题中首次出现“斯通纳-沃尔法思反铁磁体”这一新术语。

05 “多米诺骨牌”效应
研究团队还揭示了材料中的“层共享效应”，解释了为何整体没有磁化的偶数层反铁磁体也能被磁场调控。

在实际样品中，奇数层与偶数层难以避免地横向相连。而奇数层由于具有非零的磁化，具有被磁场推动的“动力”。

因此，奇数层区域的反铁磁态率先在磁场下实现翻转，进而触发相连的偶数层的集体翻转，这一过程类似于“多米诺骨牌”现象。

层间耦合的弱或强将决定这种“磁多米诺骨牌”式行为能够在垂直维度上仅维持一层或传播到多层。

团队证实了前期提出的“层共享效应”在二维层间反铁磁体系中具有普遍性。

由于实际样品在横向上难以避免地奇偶层相连，具有非零磁化的奇数层区域率先在磁场下翻转并形成磁畴壁，随后材料中极强的层内交换作用驱动着后续的横向畴壁传播，最终触发偶数层区域的集体翻转。

这一发现，揭示了层间锁定型反铁磁体实现整体切换的微观机制。

当电脑硬盘中的读写磁头划过盘片表面时，微小的磁性粒子整齐地翻转方向，代表数据的0和1。

复旦团队的发现，意味着未来芯片可能用一种全新的方式工作——利用反铁磁材料的“集体舞蹈”来记录信息。

这项研究成果建立的“斯通纳-沃尔法思反铁磁模型”将写入教科书，成为反铁磁领域的标准模型之一。在论文完成期间，团队成员甚至在除夕夜晚上九点半召开线上会议，定下论文基调。

尽管目前报道的层间锁定型反铁磁材料的磁相变温度还较低，离室温应用尚有距离，但复旦团队提出的“特征交换尺寸”判据使得未来材料筛选不再盲目，有望“按图索骥”加速寻找真正能在室温工作的新一代反铁磁材料。

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