复旦大学教授吴施伟、袁喆团队，发现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，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。1月29日，相关研究成果发表于《自然》。

信息技术的发展离不开磁性材料和磁性理论研究。常规磁性设备均以铁磁材料作为存储单元，其非零磁化可天然用于二进制数据的存储。反铁磁材料的磁态（奈尔序）也可表示为二进制比特位，有助于开发更高密度、更快运行速度的磁性存储器。如何可靠地调控奈尔序的方向，仍是其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。在已报道的二维层间反铁磁体中，磁场下的磁态演变均表现为层间自由型。寻找能够在保持反铁磁态的基础上实现奈尔序方向切换的反铁磁材料，对于构建基于反铁磁的新型存储器件至关重要。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。

二维层间反铁磁的两类磁化翻转行为。研究团队供图

研究团队前期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，并结合非线性光学二次谐波技术，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。

本项研究中，研究团队在层间反铁磁体硫化磷铬（CrPS₄）中观测到，偶数层样品的信号强度在磁场下表现为单一的磁滞回线，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。这也意味着，反铁磁体和铁磁体类似，可以被磁场整体切换，并能用非线性光学的手段进行探测。

研究团队发现，材料内部层间反铁磁耦合与磁各向异性之间的竞争是决定磁翻转模式的关键。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。

据了解，斯通纳-沃尔法思（Stoner-Wohlfarth）模型被认为是铁磁性的“氢原子模型”，为基于铁磁体的二进制数据计算及信息存储磁器件设计提供了重要指导。研究团队进一步提出斯通纳-沃尔法思反铁磁模型，并推导出反铁磁的“特征交换尺寸”以充当两类行为的判据。该判据衡量的是反铁磁序的“影响力”在垂直方向上能延伸多远，如果可以跨越层与层之间的间距，那么将导致层间锁定型切换；反之，层与层之间就相对独立，表现为层间自由型切换。

在此基础上，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。值得一提的是，层间耦合的弱或强将决定“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。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-10019-9