1970年诺贝尔物理学奖得主路易·奈尔（Louis Néel）曾形容反铁磁体是“有趣而无用的”。彼时，反铁磁材料多被当作辅助铁磁体的“配角”，用于固定磁性层、维持方向稳定等。但这一持续半个多世纪的局面，或有希望改观。
北京时间1月29日，《自然》（Nature）杂志刊发了应用表面物理全国重点实验室吴施伟和复旦大学袁喆团队的最新研究。这是顶刊论文标题中，首次出现“Stoner–Wohlfarth反铁磁体”这一新术语。
路易·奈尔所说的“有趣”，在于反铁磁体和大家熟知的铁磁体一样，具有有序排列的微观磁结构，但因完美的反平行排列使得反铁磁没有宏观磁化。“无用”在于在这种反平行磁结构不好操控和探测，难以像铁磁体那样在主流存储器中发挥核心作用。 “铁磁型（Ferromagnet-like）”意味着它们在外磁场下能够像铁磁体一样展现出可探测的双稳态整体切换。这项成果推动了反铁磁材料研究迈出从“有趣而无用”到“可读可写”的关键一步，为开发新一代低功耗、高速运算芯片提供了新路径。 拒绝“各自为战”：一场反铁磁的“集体舞蹈”
要理解这一成果为何重要，需从反铁磁材料的“古怪脾气”讲起。
磁性材料内部充满了无数个“微观磁针”。在铁磁体中，这些磁针整齐指向同一方向，因此易于通过外磁场调控，这也是硬盘写入二进制数据“0”（磁针方向为“↑”）和“1”（为“↓”）的基本原理。
类似地，反铁磁材料的磁态（即奈尔序，“↑↓”和“↓↑”）也可表示为二进制位。但这样的磁态却是“对头对脚”、两两配对的排列，每对磁针方向相反，磁性刚好抵消。通常，磁场难以对其实现整体控制。
近年来，二维层间反铁磁材料的出现让科学家们看到了希望。这种材料的每一层均保持铁磁性，相邻层间表现为反铁磁耦合。相比于传统的反铁磁体，该材料的反铁磁耦合强度很弱，因而有希望实现磁态的调控。
此前，吴施伟研究团队在某些层状反铁磁材料（如CrI3与CrSBr）中确实观察到了反铁磁性的磁场响应，但它们均表现为“层间自由型”——反铁磁态随磁场相继逐层翻转。但这种方式下，调控磁性的同时会破坏原有的反铁磁结构。
当团队在研究另一种层状反铁磁材料硫磷化铬（CrPS₄）时，却观测到完全不同的行为。其每一层之间并非独立翻转，而是像被无形的锁链扣在一起。一旦某一层开始翻转，便能带动其他层集体翻转。这种“层间锁定型”的集体翻转，实现了反铁磁系统的“0”（“↑↓”）和“1”（“↓↑”）。
二维层间反铁磁的两类磁化翻转行为
这一发现得益于吴施伟团队自主研发的科学设备。由于国际上长期缺乏有效的实验平台用以研究这种仅原子级厚度、微米级横向尺寸的层状反铁磁体，团队基于多年的技术积淀，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，团队成功捕捉到这一整体的双态切换现象。
“二次谐波技术并不受限于材料的宏观磁化强度，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。” 吴施伟指出，“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，但我们也具备相应的解决方案以有效剔除这些实验假象，确保了观测结果的真实可信。”
“当首次在偶数层CrPS₄中看到其二次谐波响应并非呈现多步的信号跳变而是单一的磁滞回线时，我兴奋不已。这意味着每一层的磁针不再‘各自为战’，而是‘集体舞蹈’，同时转向。”团队博士生王占山回忆。
但是，偶数层的层间反铁磁体整体没有磁化，本不该受磁场调控，另其发生整体切换的“动力”是什么？对此，团队提出“层共享效应”。实际样品中，奇数层与偶数层难以避免地横向相连，而奇数层由于具有非零的磁化故具有被磁场推动的“动力”。
因此，奇数层区域的反铁磁态率先在磁场下实现翻转，进而触发相连的偶数层的集体翻转，这一过程类似于“多米诺骨牌”现象。
咖啡馆里的灵感与除夕夜的“冲刺”
这一成果的另一核心贡献，在于将经典的铁磁翻转理论模型推广到反铁磁研究领域。
2024年夏天，吴施伟和袁喆坐在复旦物理楼的咖啡厅里。这在复旦物理专业是一种常态，不同领域的学者经常聚在一起喝咖啡、聊灵感。吴施伟曾提到他的团队近期在各种层间反铁磁材料中所看到的现象，并提出了疑惑：它们均属于同种体系，为何具有“层间自由型”和“层间锁定型”两种表现？这似乎存在一个界线来划分这两种行为，但怎么去描述这个界线，有否有对应的理论模型？
“吴老师问我能不能做一个模型来描述这个现象。”袁喆回忆道。带着这个问题，袁喆和他的学生一头扎进了故纸堆和公式里。他们翻阅了上世纪40年代起的磁学文献，意识到：在1948年，Stoner–Wohlfarth模型就曾奠定了铁磁体磁化翻转的经典理论框架。
该模型描述了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。但在反铁磁材料中，却始终缺乏能够描述其整体行为的对应理论。
“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’。”袁喆联想到。
沿着这一思路，团队结合必要的微磁学模拟，最终提出反铁磁的“特征交换尺寸”以充当两类行为的判据。“这一物理量非常直观，它衡量的是反铁磁序的‘影响力’在垂直方向上能延伸多远。”团队博士生相怡宁这样比喻，“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。”该判据表明，除了CrPS4，MnBi2Te4也属于“Stoner-Wohlfarth反铁磁体”。
实验与理论碰撞的成果诞生在一场春节期间的攻坚战。在2025年除夕夜的九点半，吴施伟、袁喆与王占山、相怡宁召开线上会议，定下论文基调：报道一类崭新的磁翻转行为，建立全新理论框架，提出“Stoner–Wohlfarth反铁磁”的概念。
理论组成员在春节期间高效完成关键部分的理论数据分析，实验组成员也提前返岗采集所有关键实验数据。正是这种科研“春节加速”，最终让论文在年后迅速完成投稿，抢占前沿。
虽然成果引发了“反铁磁替代铁磁材料”成为新型存储器的遐想，但实现这一愿景仍有困难。比如，目前报道的层间锁定型反铁磁材料的磁相变温度还较低，离室温应用尚有距离。
但复旦团队提出的“特征交换尺寸”判据使得未来材料筛选不再盲目，有望“按图索骥”加速寻找真正能在室温工作的新一代反铁磁材料。他们相信，该工作能为基础研究以及技术应用带来变革性突破，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新的途径。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10019-9