1月28日，復(fù)旦大學(xué)在國際頂級科研期刊《Nature 》連續(xù)發(fā)表兩項科研成果。

復(fù)旦周鵬教授團隊實現(xiàn)二維電子器件與系統(tǒng)國際首次在軌驗證

1月28日，復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院副院長周鵬教授、馬順利副教授為論文聯(lián)合通訊作者在《自然》發(fā)表題為“Radiation-tolerant atomic-layer-scale RF system forspaceborne communication”的研究成果。復(fù)旦大學(xué)為論文的第一完成單位。論文第一作者是復(fù)旦大學(xué)博士后朱立遠(yuǎn)。

來自復(fù)旦大學(xué)的科研團隊首次實現(xiàn)基于原子層半導(dǎo)體的射頻通信系統(tǒng)在軌運行驗證。他們研制的“青鳥”原子層半導(dǎo)體抗輻射射頻通信系統(tǒng)，依托極薄的二維材料，展現(xiàn)出穩(wěn)定運行與抗輻射性能，為構(gòu)建更輕、更節(jié)能的空間通信系統(tǒng)提供了新的可能性。“超長壽命”與“超低功耗”兩大核心優(yōu)勢，奠定二維電子系統(tǒng)在深空探測、高軌衛(wèi)星、星際通信等前沿空間任務(wù)中的獨特競爭力。

2024年9月24日，“復(fù)旦一號（瀾湄未來星）”衛(wèi)星成功發(fā)射。依托“復(fù)旦一號（瀾湄未來星）”衛(wèi)星平臺，在國際上首次實現(xiàn)“青鳥”系統(tǒng)的在軌驗證，直接揭示了該系統(tǒng)在真實宇宙輻射環(huán)境下的長期工作穩(wěn)定性與可靠性。

與許多“高冷”的技術(shù)任務(wù)不同，“青鳥”攜帶了一段特殊的“行李”，復(fù)旦大學(xué)校歌的手稿照片。這份承載百廿校園記憶的文稿被存入系統(tǒng)存儲器中，在完成星內(nèi)通信傳輸后，由衛(wèi)星天線發(fā)回地面，再由地面站完成接收與解碼。

“青鳥”系統(tǒng)的在軌表現(xiàn)也經(jīng)受住了時間考驗。在軌9個月后，其數(shù)據(jù)傳輸誤碼率仍低于10??，展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。研究團隊還對該系統(tǒng)在地球同步軌道（GEO）環(huán)境下的理論壽命進行了推算，結(jié)果顯示其可在高輻射背景下運行超過271年——這一數(shù)據(jù)基于GEO年均輻射劑量與地面加速實驗相結(jié)合得出。

此外，系統(tǒng)整體功耗僅為傳統(tǒng)硅基系統(tǒng)的五分之一。“這兩點結(jié)合起來，一方面能降低衛(wèi)星服役過程中的能源消耗，另一方面也大幅減少了因設(shè)備失效而頻繁發(fā)射補網(wǎng)衛(wèi)星的必要性。”團隊指出。在資源緊張的太空環(huán)境中，每一克重量、每一瓦能量都事關(guān)成敗，“青鳥”系統(tǒng)以幾近極限的技術(shù)指標(biāo)，為航天通信提供了一種新的可能。

復(fù)旦吳施偉與袁喆研究團隊揭示低維層間反鐵磁體系的磁翻轉(zhuǎn)動力學(xué)現(xiàn)象與機制

1月28日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系吳施偉教授與理論物理與信息科學(xué)交叉中心袁喆教授為論文聯(lián)合通訊作者在《自然》發(fā)表題為“Ferromagnet-like binary switching of a Stoner–Wohlfarth antiferromagnet”的研究成果。復(fù)旦大學(xué)為論文的第一完成單位。論文第一作者是復(fù)旦大學(xué)博士生王占山、相怡寧。

來自復(fù)旦大學(xué)的科研團隊在低維層間反鐵磁體系中發(fā)現(xiàn)了一類“Stoner–Wohlfarth反鐵磁體”。這類材料在外磁場下能夠像鐵磁體一樣展現(xiàn)出確定性的雙穩(wěn)態(tài)整體切換。團隊利用自主開發(fā)的多模態(tài)磁光顯微技術(shù)成功捕捉到這一現(xiàn)象，并完善經(jīng)典的磁學(xué)理論框架用以描述其背后的物理機制。該工作揭示了低維層間反鐵磁體磁化翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素與獨特效應(yīng)，為開發(fā)新一代低功耗、高速運算芯片提供了全新路徑。

磁性材料探索和磁性理論研究持續(xù)推動信息技術(shù)發(fā)展。常規(guī)磁性器件（如機械硬盤、磁隨機存儲器等）均以鐵磁材料作為存儲單元，其非零磁化可天然用于二進制數(shù)據(jù)的存儲：磁化方向為“上”代表“0”，而“下”則為“1”。類似地，反鐵磁材料的磁態(tài)（奈爾序）也可表示為二進制比特位。相比于鐵磁體，其雜散場弱、動力學(xué)過程快等優(yōu)勢有助于開發(fā)更高密度、更快運行速度的磁性存儲器。然而，反鐵磁體沒有宏觀磁化，如何可靠地調(diào)控奈爾序的方向是其應(yīng)用于磁存儲的一個重要技術(shù)難題。

近年來，二維范德華反鐵磁體系因其豐富的反鐵磁基態(tài)和多樣的物性調(diào)控手段而備受關(guān)注。其中，層間反鐵磁體尤為特殊（圖1左），其層內(nèi)保持鐵磁耦合，層間為反鐵磁耦合，且后者的耦合強度較前者相差甚遠(yuǎn)，因而材料的奈爾序更易實現(xiàn)調(diào)控。在已報道的二維層間反鐵磁體中，如CrI3與CrSBr，研究團隊已對其磁場下的磁態(tài)演變特性有所研究，均表現(xiàn)為層間自由型——反鐵磁態(tài)隨磁場相繼逐層翻轉(zhuǎn)（圖1中）。但這種方式下，調(diào)控奈爾序的同時會破壞原有反鐵磁態(tài)。更理想的反鐵磁調(diào)控是能夠在保持反鐵磁態(tài)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)奈爾序方向的切換，即層間鎖定型——所有磁性層同時發(fā)生整體性的雙態(tài)切換（圖1右），尋找滿足這一要求的反鐵磁材料對于構(gòu)建基于反鐵磁的新型存儲器件至關(guān)重要。

圖1：二維層間反鐵磁的兩類磁化翻轉(zhuǎn)行為

此外，如何探測二維層間反鐵磁性也面臨諸多技術(shù)瓶頸與實驗挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)實驗方法難以適用于表征僅原子級厚度、微米級橫向尺寸的層狀反鐵磁材料，國際上也長期缺乏有效的實驗研究平臺。對此，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系吳施偉教授領(lǐng)銜的實驗團隊基于多年的技術(shù)積淀，設(shè)計并成功研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無液氦多模態(tài)磁光顯微系統(tǒng)。結(jié)合非線性光學(xué)二次諧波技術(shù)，吳施偉教授團隊曾在二維反鐵磁材料CrI3中觀測到源于層間反鐵磁性的巨大非互易二次諧波響應(yīng)[Nature 572(7770): 497-501 (2019)]。這項創(chuàng)新性研究揭示了非線性光學(xué)響應(yīng)與磁對稱性間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為后續(xù)二維磁性體系中新奇磁學(xué)現(xiàn)象的探索建立了新型范式。

團隊成員創(chuàng)新性地提出Stoner-Wohlfarth反鐵磁模型，并推導(dǎo)出反鐵磁的“特征交換尺寸”以充當(dāng)兩類行為的判據(jù)（圖1）?！斑@一物理量非常直觀，”博士生相怡寧比喻道，“它衡量的是反鐵磁序的‘影響力’在垂直方向上能延伸多遠(yuǎn)。如果這個‘影響力’可以跨越層與層之間的間距，那么將導(dǎo)致層間鎖定型切換；反之，層與層之間就相對獨立，表現(xiàn)為層間自由型切換。這一判據(jù)告訴我們，除了CrPS4，MnBi2Te4也屬于‘Stoner-Wohlfarth反鐵磁體’?！边@一簡潔而深刻的判據(jù)，不僅完美解釋了現(xiàn)有實驗，更像一張導(dǎo)航圖，為未來按需設(shè)計與搜尋具有理想翻轉(zhuǎn)特性的反鐵磁材料提供理論指引。

偶數(shù)層的層狀反鐵磁體本身凈磁化為零，兩個反鐵磁態(tài)在能量上完全簡并，理論上難以被磁場驅(qū)動，讓其發(fā)生確定性整體切換的動力是什么？

對此，團隊提出“層共享效應(yīng)”（參見動畫）。值得一提的是，這一效應(yīng)最先由吳施偉教授團隊在層間自由型CrSBr中指出[Nat. Mater. 24(2): 226-233 (2025)]。無獨有偶，該工作在層間鎖定型CrPS4中同樣發(fā)現(xiàn)了該效應(yīng)?！坝捎趯嶋H樣品在橫向上難以避免地奇偶層相連，具有非零磁化的奇數(shù)層區(qū)域率先在磁場下翻轉(zhuǎn)并形成磁疇壁?！辈┦可跽忌奖硎?，“如同‘多米諾骨牌’現(xiàn)象，隨后材料中極強的層內(nèi)交換作用驅(qū)動著后續(xù)的橫向疇壁傳播，最終觸發(fā)偶數(shù)層區(qū)域的集體翻轉(zhuǎn)?！?/p>

gif動畫：二維層間反鐵磁體的“層共享效應(yīng)”

盡管“層共享效應(yīng)”均存在于兩類層狀反鐵磁體，但層間耦合的弱或強將決定“磁多米諾骨牌”式行為能夠在垂直維度上僅維持一層或傳播到多層。如前所述，受限于“特征交換尺寸”的磁動力學(xué)特征，才是區(qū)分二者的關(guān)鍵判據(jù)。

編輯、審核：艾克旦

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