导语：

近日，复旦大学物理学系吴施伟教授团队与理论物理与信息科学交叉中心袁喆教授团队合作，在低维层间反铁磁体系中报道了一类“Stoner–Wohlfarth反铁磁体”。这类材料在外磁场下能够像铁磁体一样展现出确定性的双稳态整体切换。团队利用自主开发的多模态磁光显微技术成功捕捉到这一现象，并完善经典的磁学理论框架用以描述其背后的物理机制。该工作揭示了低维层间反铁磁体磁化翻转的关键因素与独特效应，为开发新一代低功耗、高速运算芯片提供了全新路径。伦敦时间2026年1月28日，相关成果以“Ferromagnet-like binary switching of a Stoner–Wohlfarth antiferromagnet”为题，发表在Nature主刊。

磁性材料探索和磁性理论研究持续推动信息技术发展。常规磁性器件（如机械硬盘、磁随机存储器等）均以铁磁材料作为存储单元，其非零磁化可天然用于二进制数据的存储：磁化方向为“上”代表“0”，而“下”则为“1”。类似地，反铁磁材料的磁态（奈尔序）也可表示为二进制比特位。相比于铁磁体，其杂散场弱、动力学过程快等优势有助于开发更高密度、更快运行速度的磁性存储器。然而，反铁磁体没有宏观磁化，如何可靠地调控奈尔序的方向是其应用于磁存储的一个重要技术难题。

近年来，二维范德华反铁磁体系因其丰富的反铁磁基态和多样的物性调控手段而备受关注。其中，层间反铁磁体尤为特殊（图1左），其层内保持铁磁耦合，层间为反铁磁耦合，且后者的耦合强度较前者相差甚远，因而材料的奈尔序更易实现调控。在已报道的二维层间反铁磁体中，如CrI₃与CrSBr，研究团队已对其磁场下的磁态演变特性有所研究，均表现为层间自由型——反铁磁态随磁场相继逐层翻转（图1中）。但这种方式下，调控奈尔序的同时会破坏原有反铁磁态。更理想的反铁磁调控是能够在保持反铁磁态的基础上实现奈尔序方向的切换，即层间锁定型——所有磁性层同时发生整体性的双态切换（图1右），寻找满足这一要求的反铁磁材料对于构建基于反铁磁的新型存储器件至关重要。

图1：二维层间反铁磁的两类磁化翻转行为

此外，如何探测二维层间反铁磁性也面临诸多技术瓶颈与实验挑战。传统实验方法难以适用于表征仅原子级厚度、微米级横向尺寸的层状反铁磁材料，国际上也长期缺乏有效的实验研究平台。对此，复旦大学物理学系吴施伟教授领衔的实验团队基于多年的技术积淀，设计并成功研制了具有自主知识产权的无液氦多模态磁光显微系统。结合非线性光学二次谐波技术，吴施伟教授团队曾在二维反铁磁材料CrI₃中观测到源于层间反铁磁性的巨大非互易二次谐波响应[Nature 572(7770): 497-501 (2019)]。这项创新性研究揭示了非线性光学响应与磁对称性间的内在关联，为后续二维磁性体系中新奇磁学现象的探索建立了新型范式。

“非线性光学二次谐波的信号强度不受限于材料的总磁化强度，而是对材料晶格和磁结构的对称性极为敏感，加之其具有单层灵敏度，因此特别适合于表征常规实验手段无法探测的二维反铁磁性。”吴施伟教授介绍说，“尽管如此，强磁场下的非线性光学研究极易受测量系统中非材料本征的法拉第效应的影响，不过我们也具备相应解决方案以有效剔除实验假象。”

当有了光学二次谐波这盏低维反铁磁性的‘探照灯’后，团队便能目睹各种二维反铁磁体在磁场下的真实行为。团队成员在另一种层间反铁磁体CrPS₄中表征二次谐波响应时，观测到偶数层样品的信号强度在磁场下竟表现为单一的磁滞回线，这有别于CrI₃与CrSBr所表现的逐层翻转式的多步信号跳变。这表明CrPS₄的反铁磁奈尔序可实现180°的双态切换，即理想的反铁磁调控路径！

同为层间反铁磁体，为何存在两种截然不同的磁翻转行为？这个问题的答案，需要深入到磁性的微观相互作用中去寻找。由复旦大学理论物理与信息科学交叉中心袁喆教授领衔的理论团队，为该工作的实验现象提供了坚实而优美的理论框架。

袁喆教授团队首先通过微磁模拟，精准复现了实验中观察到的两类磁切换行为。结果表明，决定磁翻转模式的关键，在于材料内部层间反铁磁耦合与磁各向异性之间的竞争。当层间耦合足够强大，足以克服磁各向异性设定的翻转势垒时，一层磁矩的翻转便会“牵一发而动全身”，迫使相邻层同步转向，从而实现层间锁定式的整体翻转。否则每层将“各自为战”，表现出逐层切换的层间自由型行为。

然而，如何衡量两类行为的边界，以定量判断任意二维层状反铁磁体的磁切换行为？这迫使团队成员寻找更为本质的物理图像。

“铁磁学里有一个非常经典的模型，即Stoner-Wohlfarth模型，它描述的是理想铁磁性纳米颗粒在磁场下的相干磁翻转，就像一枚刚性小磁针在外场下的整体转向。”袁喆教授联想到，“层间锁定型的反铁磁体恰如反铁磁中的刚性小磁针。但这种行为在传统块状反铁磁体中通常不会出现，因为其内部不可避免的缺陷将破坏反铁磁序的空间一致性。而层间反铁磁体不同，其范德华界面保证了反铁磁相互作用的均一性，进而实现步调一致的整体翻转行为。这意味着我们可以尝试把经典的Stoner-Wohlfarth铁磁模型推广到反铁磁的世界里，用于描述这类具有理想翻转特性的‘Stoner-Wohlfarth反铁磁体’。”

沿着这一思路，团队成员创新性地提出Stoner-Wohlfarth反铁磁模型，并推导出反铁磁的“特征交换尺寸”以充当两类行为的判据（图1）。“这一物理量非常直观，”博士生相怡宁比喻道，“它衡量的是反铁磁序的‘影响力’在垂直方向上能延伸多远。如果这个‘影响力’可以跨越层与层之间的间距，那么将导致层间锁定型切换；反之，层与层之间就相对独立，表现为层间自由型切换。这一判据告诉我们，除了CrPS₄，MnBi₂Te₄也属于‘Stoner-Wohlfarth反铁磁体’。”这一简洁而深刻的判据，不仅完美解释了现有实验，更像一张导航图，为未来按需设计与搜寻具有理想翻转特性的反铁磁材料提供理论指引。

偶数层的层状反铁磁体本身净磁化为零，两个反铁磁态在能量上完全简并，理论上难以被磁场驱动，让其发生确定性整体切换的动力是什么？

对此，团队提出“层共享效应”（参见动画）。值得一提的是，这一效应最先由吴施伟教授团队在层间自由型CrSBr中指出[Nat. Mater.24(2): 226-233 (2025)]。无独有偶，该工作在层间锁定型CrPS₄中同样发现了该效应。“由于实际样品在横向上难以避免地奇偶层相连，具有非零磁化的奇数层区域率先在磁场下翻转并形成磁畴壁。”博士生王占山表示，“如同‘多米诺骨牌’现象，随后材料中极强的层内交换作用驱动着后续的横向畴壁传播，最终触发偶数层区域的集体翻转。”

gif动画：二维层间反铁磁体的“层共享效应”

尽管“层共享效应”均存在于两类层状反铁磁体，但层间耦合的弱或强将决定“磁多米诺骨牌”式行为能够在垂直维度上仅维持一层或传播到多层。如前所述，受限于“特征交换尺寸”的磁动力学特征，才是区分二者的关键判据。

结语与展望：

本研究工作报道了一类“Stoner-Wohlfarth反铁磁体”，利用非线性磁光显微技术揭示了其独特的层间锁定型的整体切换行为，这与层间自由型体系中观察到的逐层翻转机制形成鲜明对比。通过拓展经典铁磁性的Stoner-Wohlfarth模型并应用于层状反铁磁体系，研究团队揭示了这两类反铁磁体的本质区别并给出了Stoner-Wohlfarth反铁磁体的标准判据。此外，团队还进一步证实了“层共享效应”在二维层间反铁磁体系的普遍性。

作为铁磁性的“氢原子模型”，Stoner-Wohlfarth模型为基于铁磁体的二进制数据计算以及信息存储磁器件设计提供了重要指导。本研究提出的拓展Stoner-Wohlfarth模型及“Stoner-Wohlfarth反铁磁体”的概念将为反铁磁动力学基础研究以及技术应用带来变革性突破。此外，该工作中基于光学二次谐波的非线性磁光显微表征技术，在深入探索低维磁性的奇异物性与新颖现象上表现出巨大价值与潜力，为未来低维磁性材料集成到自旋电子学以及光电子领域中开辟了新的途径。

致谢：

复旦大学吴施伟教授与袁喆教授为该工作的共同通讯作者，博士生王占山、相怡宁为该工作的共同第一作者。复旦大学刘韡韬教授、孙泽元助理教授等共同参与研究讨论，余伟超青年研究员共同参与理论计算，张远波教授和阮威青年研究员课题组为该工作提供了高质量MnBi₂Te₄样品。上海科技大学米启兮教授和柳仲楷教授课题组为该工作提供了高质量CrSBr晶体。中国人民大学雷和畅教授课题组为该工作提供了高质量CrI₃晶体。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、上海市科委和上海市教委等各类经费的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10019-9