近日，電子科技大學國家電磁輻射控制材料工程技術研究中心鄧龍江院士團隊彭波教授在Nature Communications發表題為“Coexistence of ferroelectricity and antiferroelectricity in 2D van der Waals multiferroic”的研究論文。電子科技大學博士研究生吳楊柳為論文第一作者，鄧龍江院士、彭波教授、嚴鵬教授和中國人民大學季威教授為共同通訊作者。電子科技大學為論文第一單位。

長久以來，科學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，從而實現鐵電性與磁性之間的相互調控，以期應用于超高能效、超低功耗存儲器和邏輯器件領域。然而，在單相材料中，這兩種序參量往往呈現出互斥的狀態，使得新型單相多鐵性材料的開發成為一項亟待解決的重大挑戰。近年來，二維磁體與鐵電體領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，這不僅有望深化對磁電耦合機制的理解，還可以促進高集成度先進自旋電子器件的發展。

然而，二維多鐵性的研究并非坦途，仍面臨諸多關鍵科學難題。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方法。但是，在存在非共線和反鐵磁序的情況下，全光學表征方法無法對多層或單層多鐵性作出判斷。盡管先前有研究報道稱，利用二次諧波（SHG）和線性二色性（LD）等光學手段，在雙層乃至單層NiI2材料中疑似發現了II型多鐵。但理論上LD和SHG現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生，而無需依賴鐵電特性。在課題組前期發表的成果中，在少層NiI2中觀察到的SHG和LD光學疇與磁疇一一對應，揭示了這些光學現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，在二維極限下實現鐵磁與鐵電單相共存仍然是一個巨大的挑戰，其磁電耦合機制已成為當前凝聚態物理研究領域亟待解決的重大難題。

為解決上述問題，研究團隊對三層NiI2材料進行了系統的磁光電聯合測量，發現三層NiI2具有由螺旋磁序誘導的面外鐵電極化，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。

（1）發明了微納尺度磁-光-電聯合時空成像測量系統，解決了二維多鐵性鑒定“難”的技術瓶頸。在實驗中首次在三層NiI2晶格中觀測到面外的鐵電/反鐵電共存、鐵磁/鐵電共存現象，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，闡明了層內非共線磁序誘導面外鐵電性的物理機制，揭示了層內鐵電與反鐵電共存耦合的機制，其根源在于該體系中存在左右手性簡并的螺旋磁序。

（3）揭示了電場/磁場調控鐵電與反鐵電性的動力學規律，實現了本征強磁電耦合與調控。在實驗上，首次觀測到二維極限下的磁控電現象，在三層NiI2中觀測到了面外和面內磁場對鐵電極化的各向異性調控效應，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，為磁電子器件的創新設計提供了理論基礎和技術途徑。

這項工作不僅為在單原子層或少數原子層極限下探索多鐵性物理開辟了全新的視角，也為開發新一代超高能效超低功耗計算芯片探索出顛覆性的發展方向。

來源：電子科技大學