近年來，二維磁性材料在國際上成為備受關注的研究熱點。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臺，也為二維磁性與自旋電子學器件的研發開辟了新的方向，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。
盡管二維磁性材料的鐵磁性質已有研究，但反鐵磁態由于不具有宏觀磁化，材料體系整體對外不表現出磁性，加之樣品既薄又小，其實驗研究是領域內的一大難題。
針對這一問題，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于層間反鐵磁結構的非互易二次諧波非線性光學響應，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構的關聯。北京時間8月1日凌晨，相關研究成果以《反鐵磁雙層三碘化鉻中巨大的非互易二次諧波產生》（“Giant nonreciprocal second harmonic generation from antiferromagnetic bilayer CrI3”）為題發表于《自然》（Nature）雜志。
將經典方法引入新領域 開辟廣闊研究空間
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。
“意義首先在于其獨特性。”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，如果一只手指受傷，那么鏡面對稱就破缺了。”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。
反鐵磁材料由于沒有宏觀的磁矩，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辟了廣闊的研究空間。
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于過去已知的磁致二次諧波信號（例如氧化鉻Cr2O3），在響應系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。
吳施偉介紹，體材三碘化鉻在高溫下屬于單斜（monoclinic）晶系，在低溫下發生結構相變而變為菱形（rhombohedral）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構還存在著爭議。團隊在實驗中使用一束偏振光測量了材料在空間不同方向的極化，通過測量偏振極化的二次諧波信號，發現它與單斜晶格的堆疊結構都具備鏡面對稱性，這與國際上新近發表的理論計算結果一致，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 實現基礎研究突破
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，團隊基于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的磁結構與相關特性。
光學二次諧波過程對體系的對稱性高度敏感，光學二次諧波的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，它不依賴于材料的宏觀磁性，而取決于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后，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。
自2017年至今，兩年的協力共進澆灌出如今的成果。團隊首先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，但由于該系統沒有磁場，很多關鍵的實驗測量受到了限制。為解決這一問題，課題組成員攻堅克難，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，并借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。
據悉，該研究工作的合作團隊還包括香港大學教授姚望、卡耐基梅隆大學教授肖笛、華盛頓大學教授曹霆、美國橡樹嶺國家實驗室研究員Michael McGuire，以及復旦大學物理學系教授劉韡韜、陳張海、高春雷等。吳施偉和許曉棟為文章的通訊作者，復旦大學物理學系博士研究生孫澤元和易揚帆為共同第一作者。研究工作得到自然科學基金委、科技部重大研究計劃和重點研發專項計劃等項目經費的支持。
雙層三碘化鉻（CrI3）的二次諧波光學顯微圖
