長久以來，科學(xué)界一直致力于探索能夠同時兼具鐵磁序和鐵電性的多鐵性材料，從而實現(xiàn)鐵電性與磁性之間的相互調(diào)控，以期應(yīng)用于超高能效、超低功耗存儲器和邏輯器件領(lǐng)域。然而，在單相材料中，這兩種序參量往往呈現(xiàn)出互斥的狀態(tài)，使得新型單相多鐵性材料的開發(fā)成為一項亟待解決的重大挑戰(zhàn)。近年來，二維磁體與鐵電體領(lǐng)域的突破性進展為在二維極限下探索多鐵性提供了新的契機，這不僅有望深化我們對磁電耦合機制的理解，還可能促進高集成度先進自旋電子器件的發(fā)展。
然而，二維多鐵性的研究并非坦途，仍面臨諸多關(guān)鍵科學(xué)難題。首要難題在于，二維極限下多鐵性的鑒定異常艱“難”，其表征高度依賴于諸如磁光拉曼、磁圓二色性、線二色性和二次諧波等光學(xué)方法。但是，在存在非共線和反鐵磁序的情況下，全光學(xué)表征方法無法對多層或單層多鐵性做出判斷。盡管先前有研究報道稱，利用二次諧波（SHG）和線性二色性（LD）等光學(xué)手段，在雙層乃至單層NiI2材料中疑似發(fā)現(xiàn)了II型多鐵。但理論上 LD和SHG現(xiàn)象可在多種磁性材料中僅由磁序引起的反演對稱性破缺而產(chǎn)生，而無需依賴鐵電特性。在我們的先前的報道中，在少層NiI2中觀察到的SHG和LD光學(xué)疇與磁疇的一一對應(yīng)，揭示了這些光學(xué)現(xiàn)象源于磁序而非鐵電序（Nature, 619, E40-E43 (2023)）。迄今為止，在二維原子層的極限下，二維范德華多鐵性尚未得到直接證實。尤為重要的是，作為多鐵性核心特征的磁電互控現(xiàn)象，在二維極限下仍是一個未解之謎。因此，在二維極限下實現(xiàn)鐵磁與鐵電單相共存仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，其磁電耦合機制已成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域亟待解決的重大難題。 為解決上述問題，電子科技大學(xué)鄧龍江院士/彭波教授團隊、嚴鵬教授團隊以及中國人民大學(xué)季威教授團隊在“Nature Communications”期刊上發(fā)表了題為“Coexistence of ferroelectricity and antiferroelectricity in 2D van der Waals multiferroic”的最新研究成果。研究團隊在三層NiI2材料中進行了系統(tǒng)的磁光電聯(lián)合測量，發(fā)現(xiàn)三層NiI2具有由螺旋磁序誘導(dǎo)的面外鐵電極化。更令人矚目的是，研究首次清晰地觀察到了鐵電相與反鐵電相之間的演變。通過密度泛函理論（DFT）計算和原子自旋模型模擬，揭示了三層NiI2中鐵電與反鐵電共存現(xiàn)象的物理機制，其根源在于該體系中存在左右手性簡并的螺旋磁序。進一步地，本研究還通過面內(nèi)和面外磁場調(diào)控，深入探究了鐵電極化的翻轉(zhuǎn)動力學(xué)過程，直接觀測到了II類多鐵的典型特征——磁控電現(xiàn)象。這項工作不僅為在單原子層或少數(shù)原子層極限下探索多鐵性物理開辟了全新的視角，也為開發(fā)新一代超高能效超低功耗的計算芯片探索出顛覆性的發(fā)展方向。（1）發(fā)明了微納尺度磁-光-電聯(lián)合時空成像測量系統(tǒng)，解決了二維多鐵性鑒定“難”的技術(shù)瓶頸。在實驗中首次在三層NiI2中觀測到面外的鐵電/反鐵電共存、鐵磁/鐵電共存現(xiàn)象，充分證實了其多鐵性。 （2）揭示了二維磁性/鐵電性/反鐵電性三者共存耦合的機制。基于Kitaev模型和自旋流模型，闡明了層內(nèi)非共線磁序誘導(dǎo)面外鐵電性的物理機制，揭示了層內(nèi)鐵電與反鐵電共存耦合的機制。（3）揭示了電場/磁場調(diào)控鐵電與反鐵電性的動力學(xué)規(guī)律，實現(xiàn)了本征強磁電耦合與調(diào)控。在實驗上，首次觀測到二維極限下的磁控電現(xiàn)象，在三層NiI2中觀測到了面外和面內(nèi)磁場對鐵電極化的各向異性調(diào)控效應(yīng)，這對于嚴格證明二維多鐵性及闡明磁電耦合機制具有重要意義，為磁電子器件的創(chuàng)新設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)途徑。
圖1. 器件的構(gòu)型及其晶體結(jié)構(gòu)
圖4. 三層NiI2中的磁控電現(xiàn)象及其機制
作者介紹
彭波，電子科技大學(xué)，教授/博導(dǎo)。2005年畢業(yè)于蘭州大學(xué)化學(xué)系（本科）；2010年畢業(yè)于中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（博士）。2010年6月至2015年5月，在新加坡南洋理工大學(xué)（Qihua Xiong）、新加坡國立大學(xué)（Kian Ping Loh）從事博士后研究工作。2015年6月入職電子科技大學(xué)，在鄧龍江院士帶領(lǐng)下，面向國家重大需求，在國際上率先開展了二維多鐵材料基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用研究，在二維多鐵材料磁電耦合機制、磁電互控技術(shù)等方面開展研究10余年，突破了二維多鐵鑒定“難”、本征磁電耦合“難”、磁電互控“難”等關(guān)鍵科學(xué)難題。近五年以第一/通訊作者發(fā)表論文20余篇，包括Nature、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.等，其中Nano Lett.、ACS Nano封面論文2篇。受邀在Nano Res.等期刊發(fā)表特邀論文6篇。在 “PIERS”、“中美華人納米論壇” 等國內(nèi)外會議上做特邀報告40余次。
