在磁性材料研究領(lǐng)域，一項(xiàng)突破性成果為開(kāi)發(fā)新一代低功耗、高速運(yùn)算芯片帶來(lái)了新契機(jī)。科研團(tuán)隊(duì)聚焦低維反鐵磁體系，發(fā)現(xiàn)一類特殊的低維反鐵磁材料在外磁場(chǎng)作用下，能像鐵磁體一樣展現(xiàn)出確定性的雙穩(wěn)態(tài)整體切換，這一發(fā)現(xiàn)推動(dòng)反鐵磁材料研究邁向了“可讀可寫”的新階段。

常規(guī)磁性設(shè)備，像機(jī)械硬盤、磁隨機(jī)存儲(chǔ)器等，多以鐵磁材料作為存儲(chǔ)單元。鐵磁材料具有非零磁化特性，其磁化方向可天然用于二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，磁化方向“上”代表“0”，“下”代表“1”。反鐵磁材料的磁態(tài)（奈爾序）同樣能表示為二進(jìn)制比特位，而且相比鐵磁體，它在開(kāi)發(fā)更高密度、更快運(yùn)行速度的磁性存儲(chǔ)器方面更具優(yōu)勢(shì)。然而，如何可靠地調(diào)控奈爾序方向，尤其是實(shí)現(xiàn)層間鎖定型（所有磁性層同時(shí)發(fā)生整體性的雙態(tài)切換），成為反鐵磁材料應(yīng)用于磁存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)難題。

探測(cè)二維層間反鐵磁性也面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法難以適用于表征僅原子級(jí)厚度、微米級(jí)橫向尺寸的層狀反鐵磁材料，國(guó)際上長(zhǎng)期缺乏有效的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。不過(guò)，一支科研團(tuán)隊(duì)基于多年技術(shù)積累，設(shè)計(jì)并成功研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)液氦多模態(tài)磁光顯微系統(tǒng)。此前，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合非線性光學(xué)二次諧波技術(shù)，在二維反鐵磁材料CrI3中觀測(cè)到源于層間反鐵磁性的巨大非互易二次諧波響應(yīng)，相關(guān)成果發(fā)表在頂尖科技期刊上，為后續(xù)探索二維磁性體系中的新奇磁學(xué)現(xiàn)象建立了新型范式。

有了光學(xué)二次諧波這一“探照燈”，團(tuán)隊(duì)得以觀察各種二維反鐵磁體在磁場(chǎng)下的真實(shí)行為。在研究另一種層間反鐵磁體CrPS4時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員在表征二次諧波響應(yīng)時(shí)有了驚人發(fā)現(xiàn)：偶數(shù)層樣品的信號(hào)強(qiáng)度在磁場(chǎng)下表現(xiàn)為單一的磁滯回線。這表明CrPS4的反鐵磁奈爾序可實(shí)現(xiàn)層間鎖定型的理想反鐵磁調(diào)控路徑，意味著反鐵磁體如同鐵磁體一樣能被磁場(chǎng)整體切換，且能用非線性光學(xué)手段靈敏探測(cè)到這一現(xiàn)象。

同為層間反鐵磁體，為何會(huì)出現(xiàn)兩種截然不同的磁翻轉(zhuǎn)行為？理論物理團(tuán)隊(duì)為這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供了理論解釋。他們首先通過(guò)微磁模擬，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀察到的兩類磁切換行為。研究發(fā)現(xiàn)，決定磁翻轉(zhuǎn)模式的關(guān)鍵在于材料內(nèi)部層間反鐵磁耦合與磁各向異性之間的競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)層間耦合足夠強(qiáng)大，能克服磁各向異性設(shè)定的翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘時(shí)，一層磁矩的翻轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)相鄰層同步轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)層間鎖定式的整體翻轉(zhuǎn)；否則每層會(huì)“各自為戰(zhàn)”，表現(xiàn)出逐層切換的層間自由型行為。

為衡量?jī)深愋袨榈倪吔纾颗袛嗳我舛S層狀反鐵磁體的磁切換行為，理論團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索。他們聯(lián)想到鐵磁學(xué)中的經(jīng)典Stoner - Wohlfarth模型，該模型描述理想鐵磁性納米顆粒在磁場(chǎng)下的相干磁翻轉(zhuǎn)，如同剛性小磁針在外場(chǎng)下的整體轉(zhuǎn)向。層間鎖定型的反鐵磁體恰似反鐵磁中的剛性小磁針，且層間反鐵磁體的范德華界面保證了反鐵磁相互作用的均一性，能實(shí)現(xiàn)步調(diào)一致的整體翻轉(zhuǎn)行為。基于此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出Stoner - Wohlfarth反鐵磁模型，并推導(dǎo)出反鐵磁的“特征交換尺寸”作為兩類行為的判據(jù)，不僅完美解釋了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)，還為未來(lái)按需設(shè)計(jì)與搜尋具有理想翻轉(zhuǎn)特性的反鐵磁材料提供了理論指引。

研究團(tuán)隊(duì)還提出“層共享效應(yīng)”。這一效應(yīng)最早由該團(tuán)隊(duì)在層間自由型CrSBr中指出并于2025年發(fā)表，此次在層間鎖定型CrPS4中同樣發(fā)現(xiàn)了該效應(yīng)。