讓「光」照進黑暗處，復旦課題組細讀「二維材料之書」的一頁

很多人因為諾貝爾獎知道了石墨烯的存在。15年前，伴隨著單原子層的石墨材料——石墨烯被成功分離出來，對二維材料的研究開始進入科學家的視野。迄今為止，科研人員已經發現了包括絕緣體、半導體、金屬等至少幾十種性質截然不同的二維材料。

近年來，二維磁性材料在國際上成為該領域備受關注的研究熱點。由於它們能將自發磁化保持到單原胞層厚度，為人們理解和調控低維磁性提供了新的研究平台，也為二維磁性與自旋電子學器件的研發開闢了新的方向，在新型光電器件、自旋電子學器件等方面有著重要應用價值。

近日，復旦大學物理學系吳施偉課題組與華盛頓大學許曉棟課題組合作，在二維磁性材料雙層三碘化鉻中觀測到源於層間反鐵磁結構的非互易二次諧波非線性光學響應，並揭示了三碘化鉻中層間反鐵磁耦合與范德瓦爾斯堆疊結構的關聯。相關研究成果發表於《自然》（Nature）雜誌。

經典方法引入新領域：探索層狀材料中的最小單元

研究二維材料的意義何在？科學家們以石墨烯舉例，由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。作為二維材料的石墨烯，與之對應的母體材料就是石墨，即二維材料依靠層間范德瓦爾斯相互作用堆積而成的層狀材料。自上世紀70年代起，層狀材料就由於電荷密度波、超導、鋰電池等領域的研究頗受關注。把層狀材料中的最小單元——一個單層——製備出來進行研究，就好比人們打開一本書仔細研讀其中的某一頁。對於二維材料的深入研究，不僅很有可能揭開這些層狀母體材料的謎團，還可能發現蘊藏於其中的不存在於三維體系中的物理。更重要的一點是，二維材料的所有原子都暴露在表面上，沒有被藏起來的「體」的部分，相比於三維體材料而言更容易被調控。

此次，復旦課題組在研究工作中觀測到的由層間反鐵磁誘導的二次諧波響應，讓團隊成員們非常興奮，因為他們知道，這在二維材料的研究和非線性光學領域都具有重要的意義。

「意義首先在於其獨特性。」吳施偉介紹，迄今為止二維材料領域所研究的二次諧波大多由晶格結構的對稱破缺引起。「對稱破缺也就是破壞對稱性，例如人的左右手原本是鏡面對稱的，如果一隻手指受傷，那麼鏡面對稱就破缺了。」而這種由磁結構產生的非互易二次諧波和前者有本質區別，從原理上就十分新穎。

據了解，反鐵磁材料由於沒有宏觀的磁矩，對外部的物理激勵一般難以產生宏觀的可測量的響應，對僅有幾個原子層厚的二維反鐵磁材料往往無能為力。「過去這個問題就像是燈光照不到的地方，一片黑暗無從下手。然而就是這樣的一種『暗』狀態，現在能通過二次諧波的方式變『亮』。這也是將一種經典的方法引入一個新領域的美妙所在。」吳施偉對此頗有感觸。這種二次諧波過程對材料磁結構的對稱性高度敏感，為二維磁性材料的研究開闢了廣闊的研究空間。

研究團隊同時發現，雙層反鐵磁三碘化鉻的二次諧波信號相比於過去已知的磁致二次諧波信號（例如氧化鉻Cr2O3），在響應係數上有三個以上數量級的提升，比常規鐵磁界面產生的二次諧波更是高出十個數量級。利用這一強烈的二次諧波信號，團隊得以揭示雙層三碘化鉻的原胞層堆疊結構的對稱性。

據介紹，這一發現為研究二維材料層間堆疊結構與層間鐵磁、反鐵磁耦合的關聯提供了新的實驗證據和研究手段。

創新研發實驗系統 照亮納米級空間

研究團隊在實驗中探測的反鐵磁材料僅有兩個原胞層厚度（厚度在2nm以下），而在此條件下，中子散射等測量手段很難奏效。針對這一問題，團隊基於過去多年在二維材料非線性光學研究領域的積累，運用了光學二次諧波這一方法來探測二維磁性材料。

值得一提的是，光學二次諧波過程對體系的對稱性高度敏感，其探測方法從體系的對稱性入手，能夠靈敏地探測體系的反鐵磁性。與通常探測磁性的實驗手段不同，它不依賴於材料的宏觀磁性，而取決於微觀磁結構造成的對稱破缺。雙層三碘化鉻在反鐵磁態下，其磁結構不但打破了時間反演對稱性，也同時打破了空間反演對稱性，由此產生強烈的非互易二次諧波響應。當體系升至轉變溫度以上、或施加面外磁場拉為鐵磁態後，磁結構的對稱性卻發生了改變，這一二次諧波信號也隨之消失。

兩年前，課題組初步打算利用實驗室已有的無液氦可變溫顯微光學掃描成像系統進行了初步測量，但由於該系統沒有磁場，很多關鍵的實驗測量受到了限制。為解決這一問題，科研人員攻堅克難，利用一套無液氦室溫孔超導磁體，自主研發搭建了一套無液氦可變溫強磁場顯微光學掃描成像系統，並藉助新系統實現強磁場下的光學測量，完成了關鍵數據的探測。

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