低维反铁磁“集体舞蹈”带来芯片材料新质变

来源：科技日报

沈涵 科技日报记者 王春

29日，记者从复旦大学获悉，该校物理学研究团队利用自主开发的多模态磁光显微技术，发现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，并完善了经典的磁学理论框架，用来描述该现象背后的物理机制。该研究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。相关成果1月29日在国际学术期刊《自然》上在线发表。

在铁磁体中，磁针均整齐指向同一方向，易于通过外磁场调控，因此常规磁性设备如机械硬盘等均以铁磁材料作为存储单元。而反铁磁材料由于磁针方向相反、磁性抵消而很难被磁场调控，多被当作辅助铁磁体的“配角”。

事实上，相比铁磁体，反铁磁材料更有助于开发更高密度、更快运行速度的磁性存储器，但要满足在保持反铁磁态的基础上实现所有磁性层同时发生整体性双态切换这一条件。

复旦大学物理学系吴施伟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，团队发现层间反铁磁体CrPS4的反铁磁态可被磁场整体切换，并成功捕捉到了这一“集体舞蹈”现象。

复旦大学理论物理与信息科学交叉中心袁喆团队为上述实验现象提供了理论框架。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。之后，他们又创新提出了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，不仅完美解释了现有实验，更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。

该研究为反铁磁动力学基础研究以及技术应用带来了变革性突破，也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。