亮点 | 崭露头角——二维反铁磁材料的追“光”之路

编者按

《中国激光》于2023年第1期出版 “纳米光子材料”专题，从多角度、多方位探讨和呈现我国纳米光学材料领域的研究进展。

本篇亮点文章来源于国防科技大学江天研究员团队，文章综述了近年来二维反铁磁材料领域的研究进展，分别从宏观磁光效应和微观元激发准粒子的角度出发介绍了激光与二维反铁磁材料的相互作用。（点击下方链接查看原文）

刘祺瑞, 唐宇翔, 韦可, 江天. 二维反铁磁材料的磁光研究进展[J]. 中国激光, 2023, 50(1): 0113203

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背景介绍

早在上千年前，物质的磁性就已经被观测并得到实际应用，如中国古代所使用的指南针，但由于自然界中大多数材料的磁导率相对较低，自身的磁应用高度受限。随着近现代微纳磁读写和存储器件的快速发展，新材料的发掘迫在眉睫。

考虑到磁性材料的光学吸收长度在一般在几十纳米量级，为保证调控和集成的便利性，在工艺允许的情况下，许多三维块体磁性材料的厚度已经降低到了纳米量级的准二维情形。在更极限的情况下，研究者们也一直在探寻类似石墨烯的具有原子极限厚度的范德华层状二维磁性材料。

然而，普遍认为当磁性材料的尺寸从三维降低到二维时，受Mermin-Wagner自旋热涨落定理的约束，其块体状态下的本征磁性很难继续维持。尽管在自旋注入、离子插层和化学掺杂等外界因素辅助下的非磁二维材料展现出了额外磁性。直到2017年，美国加州大学伯克利分校张翔和华盛顿大学徐晓栋教授课题组相继发现了单层Cr₂Ge₂Te₆和CrI₃中的本征磁性后，二维磁性材料才真正走向大众视野。

这类二维磁性的存在根源于磁各向异性，即磁各向异性为自旋设置了一个首选方向，保证长程磁序不受自旋热涨落的影响。二维磁性材料的发现天然地为电子磁矩的对称性调谐和高效灵活控制提供了包括机械应变、外场调节、化学修饰和异质结组装在内的多种方案。这些磁调控手段也将为量子计算、低维超导、拓扑磁性带来全新的研究契机。

在这之中，二维反铁磁材料是一类特殊存在，其凭借零磁矩和响应速度等方面的独特性引起了多方关注。随着应用能力和场景的拓展，二维反铁磁材料为新型磁器件的构筑和升级带来了更多可能。

本文从光学表征和调控的角度出发，对近年来二维反铁磁材料领域的研究进展进行综述。主要介绍了包括三卤化铬、过渡金属磷硫化物等典型反铁磁材料的基本结构、性质和分类方法，继而分别从宏观磁光效应和微观、元激发准粒子的角度出发介绍了激光与二维反铁磁材料的相互作用。

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典型反铁磁材料及其性质

1、反铁磁材料

反铁磁材料，即内部相邻价电子自旋趋于相反方向的一类磁性材料，其磁矩反平行交错有序排列，但不表现宏观的强净磁矩。

如图1所示，按照磁结构分类，反铁磁材料可分为层内反铁磁耦合（常以C型反铁磁耦合形式存在，以过渡金属磷硫化物FePS₃、NiPS₃等为代表）和层内铁磁、层间反铁磁耦合（又称A型反铁磁，以三卤化铬CrI₃为代表）两种。

图1 磁性材料的结构分类及典型的磁光效应

反铁磁材料因其内禀高频率（可比铁磁材料高两个数量级）、低能耗和抗外场串扰等优势，成为了自旋电子学的重要发展方向，其前沿研究和工程化应用一直是国际学者关注的热点。作为有望在5 nm以下技术节点取代传统半导体晶体管的基础技术之一，自旋电子学的重要目标是利用电子的自旋相干性存储和提取磁性信息，因而在反铁磁材料体系中，其核心任务是完成对反铁磁畴的调控和读取。

通过与传统微电子技术结合，除了较早的电流感应磁化翻转等电学手段，人们也积极探索并验证了光学手段代替磁场完成反铁磁序诊断工作的可能性。不仅如此，考虑到几十纳米量级的光学吸收长度，近年来超薄甚至原子层厚度的二维反铁磁材料创造了一个高效的磁光耦合平台，并为开发具有高集成度和高效率、易于调控的自旋电子器件提供了额外机会。

但反铁磁材料对外磁场不敏感和杂散场的缺失，在带来稳定性优势的同时也造成了磁性检测和应用上的障碍。

2、二维反铁磁材料的磁光研究

磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。

不同于电学或磁学方法，基于磁光效应的全光探测方法源于材料内部电荷-自旋耦合、能带的交换分裂和自旋轨道耦合之间的相互作用，光电磁场与物质磁序和内部磁化场作用后会造成光场自身参数的改变。这一特性兼具高速、非接触、高灵敏度、高时空和高能量分辨率的优势，有利于观察反铁磁材料在极端物理条件下的各类磁响应，进而可为探索低维磁性及相关的光电子学等跨学科研究铺平道路。

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宏观磁光效应破除了传统磁学

计量的局限

2021年，许晓栋教授课题组发现了过渡金属磷硫化物本征具有的巨大线偏振磁二色性[图2(a)-2(e)]。在二维面内反铁磁构型的FePS₃、NiPS₃中，层内锯齿形的反铁磁序为材料晶格层面上的提供了额外的对称性破缺，实验发现FePS₃薄膜中的线二色度和偏振转角分别达到1%和10 mrad，相较于同类研究提高了一个数量级，达到了需要X射线复杂构型才能实现的磁光耦合效果，并且通过该方法能够轻松地判断特定取向的反铁磁序。

依赖磁光效应开展的磁序探测与调控过程相辅相成，共同促进了反铁磁材料的应用研究。此后，包括磁场、电场、温度、应力、离子掺杂、超快光学等多个方面的磁序调控工作并完成了有效表征。2021年，基于空间分辨的二次谐波光谱，美国宾州州立大学Wu等人证明了各向异性的反铁磁单层MnPSe₃中的长程反铁磁有序性及其调控[图2(f)-2(i)]，除了热诱导带来的开关作用，不同方向的压力应变可以旋转奈尔矢量，这使得直接控制二维反铁磁材料的内部微观作用成为可能。

图2 磁光效应在二维反铁磁材料磁序表征和调控方面的应用。(a-e) FePS₃中的磁二向色性[Nano Letters, 21, 6938 (2021)]；(f-i) MnPSe₃中受应力调控的磁二次谐波发射[Nature Nanotechnology, 2021, 16, 782 (2021)]

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微观准粒子研究开辟了光自旋

电子学研究的新起点

在激光与物质相互作用系统中，微观准粒子是集体激发和能量振荡的量子化描述，是连接宏观和微观量子现象的纽带，在凝聚态物理学中占有重要地位。

在二维反铁磁材料体系中，磁序的扰动可能会极大影响材料中各种准粒子的能量与相关性质。例如，2018年，许晓栋教授课题组在另一类A型层间反铁磁CrI₃中报道了磁态对激子荧光的影响[图3(a)-4(d)]，CrI₃在单层和双层的铁磁状态下的激子荧光呈现出约50%的圆偏振度，并能够在不同磁态下实现偏振度的调节，当双层处于反铁磁层间耦合态时，圆偏振度淬灭为0，实现了良好的开关效果。

类似于光吸收中的二向色性，在线偏振光激发的情况下，NiPS₃的激子发光仍然保持了高度的各向异性，这种激子发光的各向异性归因于材料内部的锯齿型反铁磁序，可通过温度、磁场和激光的偏振完成调控。

基于此，美国波士顿大学Wang等人实现了对多层NiPS₃激子荧光的偏振调节[图3(e)-4(h)]，其发射偏振与Néel矢量方向高度一致，并且表现出高度的线偏振特性。这种自旋相关的荧光偏振为确定二维反铁磁的自旋性质和奈尔矢量方向提供了一种简单、快速、无损的方法。

图3 二维反铁磁材料中的激子特性研究。(a-d) 激子发射在双层反铁磁CrI₃中发生的圆偏振度淬灭现象[Nature Physics, 14, 277 (2018)]；(e-h) NiPS₃面内反铁磁态相关的高线偏振度激子发射[Nature Materials, 20, 964 (2021)]

与此同时，激光对电子自旋系统的集体激发也会产生自旋波，其量子化形式为磁子。

2021年，荷兰代尔夫特理工大学Afanasiev等人使用波长调谐的超快飞秒激光脉冲激发了层内反铁磁NiPS₃中轨道能量相关的多个磁子模式（图4），证明了磁各向异性与电子轨道跃迁的相关性，跃迁电子、相干磁子和声子等准粒子能普遍地与磁各向异性场完成能量耦合，其中的太赫兹电场分量能够反过来驱动磁子，并在时域中被直接观测到。

特别地，反铁磁性和电荷绝缘性共存，使得角动量可以仅通过磁子传输而不产生电荷驱动效应，由此带来的低能量耗散使得磁子可在微米范围内传播并具有接近极限的磁操作速度。

图4 NiPS₃中由不同轨道跃迁能量对应的多个磁子模式[Science Advances, 7, eabf3096 (2021)]

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未来发展趋势

毫无疑问，反铁磁材料的独特优势及反铁磁光自旋电子学的发展将推动自旋电子学相关领域的发展。一方面，对磁光效应的探索更有助于反铁磁材料应用场景的延伸，如新型磁光效应中的磁手性二向色性，不仅能应用在反铁磁序的探测中，还对非偏光信号的调制有应用价值。另一方面，光学技术本身的更新迭代使得在更加微观、多维和超快尺度上探测磁序变得容易，例如单自旋扫描显微镜、自旋极化扫描隧道显微镜、光镊、近场分辨光谱等技术。

未来，通过在反铁磁材料体系中发现和引入光学非线性、自旋滤波、高自旋流转换、高电子迁移率及长自旋相干长度等特性，磁学、电学、光子学和其他跨学科的研究范围能够获得进一步拓展，其体系完成对信息的写入和读取的能力也有望取得根本性的提高。

课题组介绍

国防科技大学江天研究员团队聚焦信息光电子领域开展研究，布局激光与物质相互作用基础研究、新型半导体材料与器件、太赫兹微波光子学三大研究方向，形成了从机理研究、材料生长、器件制备、系统集成到应用创新的全链条研究体系。近年来承担了国家、军队、省部级重点项目多项，在包括高性能微波光子链路设计与优化、高稳定超宽带太赫兹通信链路、跨频谱电磁信号感知与处理、量子材料表界面超快动力学、强耦合物态腔量子电动力学、磁光量子器件及其光谱研究、量子材料与器件、非冯光电智能芯片、太赫兹波产生与调控、片上光频梳光源等方面取得了一系列创新成果。

通信作者简介

江天，国防科技大学研究员，博士生导师，入选国家级青年人才、 中国科协青年人才、 高层次科技创新人才工程学科拔尖人才和湖南省杰出青年， 173基础加强项目首席科学家。获国家科技进步二等奖1项， 出版学术专著2部， 以第一作者或通信作者在Nature Communications、Advanced Martials、 Light: Science & Applications等国际期刊发表论文50余篇， 其中4篇进入ESI前1%、 一篇进入前0.1%、4篇入选“中国光学十大进展” 候选。

韦可，国防科技大学讲师，主要从事激光与物质相互作用、新型低维半导体材料和磁性材料超快光谱研究，入选湖南省博士后创新人才计划、国防科技大学第三批高层次人才青年英才计划，中国光学学会郭光灿光学优秀博士学位论文提名，以第一/通讯作者在Nature Communications、Advanced Science、Laser & Photonics Review等期刊上发表论文6篇，其中1篇进入ESI前1%，2篇入选“中国光学十大进展”候选，主持国家自然科学基金青年基金、湖南省博士后创新人才等项目4项。

科学编辑 | 刘祺瑞 唐宇翔 韦可  江天

编辑 | 沈灵灵

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