盡管二維磁性材料的鐵磁性質(zhì)已有研究，但反鐵磁態(tài)由于不具有宏觀磁化，材料體系整體對(duì)外不表現(xiàn)出磁性，加之樣品既薄又小，其實(shí)驗(yàn)研究是領(lǐng)域內(nèi)的一大難題。
針對(duì)這一問(wèn)題，近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系吳施偉課題組與華盛頓大學(xué)許曉棟課題組合作，在二維磁性材料雙層三碘化鉻中觀測(cè)到源于層間反鐵磁結(jié)構(gòu)的非互易二次諧波非線性光學(xué)響應(yīng)，并揭示了三碘化鉻中層間反鐵磁耦合與范德瓦爾斯堆疊結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。北京時(shí)間8月1日凌晨，相關(guān)研究成果以《反鐵磁雙層三碘化鉻中巨大的非互易二次諧波產(chǎn)生》（“Giant nonreciprocal second harmonic generation from antiferromagnetic bilayer CrI3”）為題發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。
將經(jīng)典方法引入新領(lǐng)域 開辟?gòu)V闊研究空間
研究工作中觀測(cè)到的由層間反鐵磁誘導(dǎo)的二次諧波響應(yīng)讓團(tuán)隊(duì)成員們非常興奮，因?yàn)樗麄冎�，這在二維材料的研究和非線性光學(xué)領(lǐng)域都具有重要的意義。
“意義首先在于其獨(dú)特性。”吳施偉介紹，迄今為止二維材料領(lǐng)域所研究的二次諧波大多由晶格結(jié)構(gòu)的對(duì)稱破缺引起�！皩�(duì)稱破缺也就是破壞對(duì)稱性，例如人的左右手原本是鏡面對(duì)稱的，如果一只手指受傷，那么鏡面對(duì)稱就破缺了�！倍@種由磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非互易二次諧波和前者有本質(zhì)區(qū)別，從原理上就十分新穎。
反鐵磁材料由于沒(méi)有宏觀的磁矩，對(duì)外部的物理激勵(lì)一般難以產(chǎn)生宏觀的可測(cè)量的響應(yīng)，對(duì)僅有幾個(gè)原子層厚的二維反鐵磁材料往往無(wú)能為力。“過(guò)去這個(gè)問(wèn)題就像是燈光照不到的地方，一片黑暗無(wú)從下手。然而就是這樣的一種‘暗’狀態(tài)，現(xiàn)在能通過(guò)二次諧波的方式變‘亮’。這也是將一種經(jīng)典的方法引入一個(gè)新領(lǐng)域的美妙所在�！眳鞘﹤�(duì)此頗有感觸。這種二次諧波過(guò)程對(duì)材料磁結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性高度敏感，為二維磁性材料的研究開辟了廣闊的研究空間。
研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，雙層反鐵磁三碘化鉻的二次諧波信號(hào)相比于過(guò)去已知的磁致二次諧波信號(hào)（例如氧化鉻Cr2O3），在響應(yīng)系數(shù)上有三個(gè)以上數(shù)量級(jí)的提升，比常規(guī)鐵磁界面產(chǎn)生的二次諧波更是高出十個(gè)數(shù)量級(jí)。利用這一強(qiáng)烈的二次諧波信號(hào)，團(tuán)隊(duì)得以揭示雙層三碘化鉻的原胞層堆疊結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。
吳施偉介紹，體材三碘化鉻在高溫下屬于單斜（monoclinic）晶系，在低溫下發(fā)生結(jié)構(gòu)相變而變?yōu)榱庑危╮hombohedral）晶系，兩者的差別在于范德瓦爾斯作用（一種原子或分子之間的相互作用力，相比于化學(xué)鍵的相互作用，范德瓦爾斯相互作用弱得多）的層間平移。但在寡層極限下，低溫下的晶格堆疊結(jié)構(gòu)還存在著爭(zhēng)議。團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中使用一束偏振光測(cè)量了材料在空間不同方向的極化，通過(guò)測(cè)量偏振極化的二次諧波信號(hào)，發(fā)現(xiàn)它與單斜晶格的堆疊結(jié)構(gòu)都具備鏡面對(duì)稱性，這與國(guó)際上新近發(fā)表的理論計(jì)算結(jié)果一致，為研究二維材料層間堆疊結(jié)構(gòu)與層間鐵磁、反鐵磁耦合的關(guān)聯(lián)提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和研究手段。
創(chuàng)新研發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究突破
研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中探測(cè)的反鐵磁材料僅有兩個(gè)原胞層厚度（厚度在2nm以下），而在此條件下，中子散射等測(cè)量手段很難奏效。針對(duì)這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)基于過(guò)去多年在二維材料非線性光學(xué)研究領(lǐng)域的積累，運(yùn)用了光學(xué)二次諧波這一方法來(lái)探測(cè)二維磁性材料的磁結(jié)構(gòu)與相關(guān)特性。
光學(xué)二次諧波過(guò)程對(duì)體系的對(duì)稱性高度敏感，光學(xué)二次諧波的探測(cè)方法從體系的對(duì)稱性入手，能夠靈敏地探測(cè)體系的反鐵磁性。與通常探測(cè)磁性的實(shí)驗(yàn)手段不同，它不依賴于材料的宏觀磁性，而取決于微觀磁結(jié)構(gòu)造成的對(duì)稱破缺。雙層三碘化鉻在反鐵磁態(tài)下，其磁結(jié)構(gòu)不但打破了時(shí)間反演對(duì)稱性，也同時(shí)打破了空間反演對(duì)稱性，由此產(chǎn)生強(qiáng)烈的非互易二次諧波響應(yīng)。當(dāng)體系升至轉(zhuǎn)變溫度以上、或施加面外磁場(chǎng)拉為鐵磁態(tài)后，磁結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性卻發(fā)生了改變，這一二次諧波信號(hào)也隨之消失。
自2017年至今，兩年的協(xié)力共進(jìn)澆灌出如今的成果。團(tuán)隊(duì)首先利用實(shí)驗(yàn)室已有的無(wú)液氦可變溫顯微光學(xué)掃描成像系統(tǒng)進(jìn)行了初步測(cè)量，但由于該系統(tǒng)沒(méi)有磁場(chǎng)，很多關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)測(cè)量受到了限制。為解決這一問(wèn)題，課題組成員攻堅(jiān)克難，利用一套無(wú)液氦室溫孔超導(dǎo)磁體，自主研發(fā)搭建了一套無(wú)液氦可變溫強(qiáng)磁場(chǎng)顯微光學(xué)掃描成像系統(tǒng)，并借助新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)下的光學(xué)測(cè)量，完成了關(guān)鍵數(shù)據(jù)的探測(cè)。
據(jù)悉，該研究工作的合作團(tuán)隊(duì)還包括香港大學(xué)教授姚望、卡耐基梅隆大學(xué)教授肖笛、華盛頓大學(xué)教授曹霆、美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員Michael McGuire，以及復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授劉韡韜、陳張海、高春雷等。吳施偉和許曉棟為文章的通訊作者，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士研究生孫澤元和易揚(yáng)帆為共同第一作者。研究工作得到自然科學(xué)基金委、科技部重大研究計(jì)劃和重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)計(jì)劃等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。
雙層三碘化鉻（CrI3）的二次諧波光學(xué)顯微圖（央廣網(wǎng)發(fā) 復(fù)旦大學(xué)提供）
