特別說明：本文由學研匯技術 中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
尋找二維多鐵材料是一項令人興奮但具有挑戰性的工作。2022年，麻省理工學院Song等人在Nature上報道了反鐵磁（AFM）NiI2單層II型多鐵, 但是他們的發現僅僅是基于間接的二次諧波產生（SHG）和線性二色性（LD）方法的全光學實驗數據，更嚴重的是，原論文作者無視了一個不可忽視的事實，即磁序也可以通過打破反演對稱性直接導致SHG和LD信號，而無需誘導FE極化。同時，自始至終，該文沒有提供任何少層NiI2的磁性數據。
僅靠全光學特征并不能作為“鐵電”存在的一致證據，特別是鐵電性與磁序共存時。觀察到的SHG和LD信號只是由磁序引起的空間反演對稱性破缺而不是鐵電極化，同時，在偏振角度依賴性上，磁序引起的LD信號與鐵電極化類似，也具有四重對稱性，與偏振角度呈cos2(?)關系，因此，僅依據光學SHG和LD方法不能證明單層多鐵性的發現。
有鑒于此，新加坡國立大學仇成偉教授和電子科大彭波教授等人在Nature質疑了單層多鐵NiI2的發現工作，他們認為準確表征磁序和鐵電極化對于可靠鑒別多鐵性至關重要。SHG和LD是研究鐵電體中鐵電極化的兩種典型光學方法。作為鐵電性的間接表征，它們的信號被認為反映了晶格反轉對稱性的破缺。然而，全光學方法對單層多鐵性的判斷并不可靠，特別是對于反鐵磁體。在這種情況下，SHG和LD響應不一定與鐵電極化相關，而是反映了磁序引起的反演對稱性破缺。
技術方案：
磁/光/電掃描成像聯合測量
作者基于磁/光/電掃描成像聯合測量系統，觀測到了多層NiI2的RMCD和LD信號的空間成像，RMCD和LD成像數據具有良好的一致性，磁疇和LD信號同步變化，因此，觀察到的LD信號來源于磁序結構，而不是鐵電極化。
技術優勢：
1、指出了原始論文中SHG和LD數據解析有誤
在原文中，溫度依賴性SHG和LD光學數據被當做為NiI2單層中鐵電性的證據。然而，有研究揭示了磁序也可以通過破壞反演對稱性直接產生SHG和LD信號，這意味著SHG和LD實際上反映的是磁結構信息而不是鐵電極化信息。同時， 磁序引起的SHG具有時變性，其對稱性隨磁序手性變化而發生翻轉，而鐵電極化引起的SHG具有非時變性。原文中，作者的對稱性分析更能指向其SHG來自磁序而不是鐵電極化（https://arxiv.org/abs/2307.10686）。
技術細節
磁序對NiI2的LD信號的影響
作者分析了磁序對NiI2對稱性的影響。經過空間反轉操作或時間反轉操作后，單層NiI2發生對稱性破缺。沿著傳播矢量Q 的螺旋磁結構打破了空間反演和時間反演對稱性。在這種情況下，磁序引起SHG和LD信號。由此產生的LD信號對應于磁序而不是鐵電極化。在不同磁場的少層NiI2的RMCD和LD實驗結果表明RMCD和LD圖之間具有良好的一致性。在外部磁場作用下，LD疇隨著磁疇的切換而同步變化。因此，觀察到的LD信號更有可能源自磁性結構，類似于CrI3雙層和幾層 FePS3的情況。
圖NiI2的磁序和光域
顯示SHG和LD信號的材料分類
對于非磁性材料和非鐵電材料，SHG和LD可歸因于非中心對稱晶格結構。對于反鐵磁材料，SHG和LD可由反鐵磁序引起的反演對稱破缺產生。僅用全光方法很難澄清SHG和LD光信號的起源。
表顯示SHG和LD信號的材料分類
總之，作者認為，NiI2單層可能是二維多鐵性的候選材料，但除了全光學結果之外，必須需要更直接的證據。原論文中給出的實驗數據不足以支持作者的結論，需要更直接的磁和電測量來確認NiI2單層的多鐵性。原論文缺乏SHG或LD域的磁場和電場控制，因此無法確定光信號是由磁序還是鐵電極化產生。同時，原論文必須提供單層NiI2的直接磁性證據，如MOKE或RMCD磁滯回線和磁疇空間成像。因此，根據目前的證據，多鐵性單層的發現是值得懷疑的。
參考文獻：
Yucheng Jiang, et al. Dilemma in optical identification of single-layer multiferroics. Nature, 2023, 619:E40–E43.
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06107-3
