yyds！復旦大學，一天兩篇Nature

1月28日，復旦大學在國際頂級科研期刊《Nature 》連續發表兩項科研成果。

復旦周鵬教授團隊實現二維電子器件與系統國際首次在軌驗證

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

來自復旦大學的科研團隊首次實現基于原子層半導體的射頻通信系統在軌運行驗證。他們研制的“青鳥”原子層半導體抗輻射射頻通信系統，依托極薄的二維材料，展現出穩定運行與抗輻射性能，為構建更輕、更節能的空間通信系統提供了新的可能性。“超長壽命”與“超低功耗”兩大核心優勢，奠定二維電子系統在深空探測、高軌衛星、星際通信等前沿空間任務中的獨特競爭力。

2024年9月24日，“復旦一號（瀾湄未來星）”衛星成功發射。依托“復旦一號（瀾湄未來星）”衛星平臺，在國際上首次實現“青鳥”系統的在軌驗證，直接揭示了該系統在真實宇宙輻射環境下的長期工作穩定性與可靠性。

與許多“高冷”的技術任務不同，“青鳥”攜帶了一段特殊的“行李”，復旦大學校歌的手稿照片。這份承載百廿校園記憶的文稿被存入系統存儲器中，在完成星內通信傳輸后，由衛星天線發回地面，再由地面站完成接收與解碼。

“青鳥”系統的在軌表現也經受住了時間考驗。在軌9個月后，其數據傳輸誤碼率仍低于10??，展現出優異的穩定性。研究團隊還對該系統在地球同步軌道（GEO）環境下的理論壽命進行了推算，結果顯示其可在高輻射背景下運行超過271年——這一數據基于GEO年均輻射劑量與地面加速實驗相結合得出。

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

復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動力學現象與機制

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

來自復旦大學的科研團隊在低維層間反鐵磁體系中發現了一類“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出確定性的雙穩態整體切換。團隊利用自主開發的多模態磁光顯微技術成功捕捉到這一現象，并完善經典的磁學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的關鍵因素與獨特效應，為開發新一代低功耗、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推動信息技術發展。常規磁性器件（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據的存儲：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（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、動力學過程快等優勢有助于開發更高密度、更快運行速度的磁性存儲器。然而，反鐵磁體沒有宏觀磁化，如何可靠地調控奈爾序的方向是其應用于磁存儲的一個重要技術難題。

近年來，二維范德華反鐵磁體系因其豐富的反鐵磁基態和多樣的物性調控手段而備受關注。其中，層間反鐵磁體尤為特殊（圖1左），其層內保持鐵磁耦合，層間為反鐵磁耦合，且后者的耦合強度較前者相差甚遠，因而材料的奈爾序更易實現調控。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演變特性有所研究，均表現為層間自由型——反鐵磁態隨磁場相繼逐層翻轉（圖1中）。但這種方式下，調控奈爾序的同時會破壞原有反鐵磁態。更理想的反鐵磁調控是能夠在保持反鐵磁態的基礎上實現奈爾序方向的切換，即層間鎖定型——所有磁性層同時發生整體性的雙態切換（圖1右），尋找滿足這一要求的反鐵磁材料對于構建基于反鐵磁的新型存儲器件至關重要。

圖1：二維層間反鐵磁的兩類磁化翻轉行為

此外，如何探測二維層間反鐵磁性也面臨諸多技術瓶頸與實驗挑戰。傳統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，復旦大學物理學系吳施偉教授領銜的實驗團隊基于多年的技術積淀，設計并成功研制了具有自主知識產權的無液氦多模態磁光顯微系統。結合非線性光學二次諧波技術，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[Nature 572(7770): 497-501 (2019)]。這項創新性研究揭示了非線性光學響應與磁對稱性間的內在關聯，為后續二維磁性體系中新奇磁學現象的探索建立了新型范式。

團隊成員創新性地提出Stoner-Wohlfarth反鐵磁模型，并推導出反鐵磁的“特征交換尺寸”以充當兩類行為的判據（圖1）。“這一物理量非常直觀，”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。如果這個‘影響力’可以跨越層與層之間的間距，那么將導致層間鎖定型切換；反之，層與層之間就相對獨立，表現為層間自由型切換。這一判據告訴我們，除了CrPS4，MnBi2Te4也屬于‘Stoner-Wohlfarth反鐵磁體’。”這一簡潔而深刻的判據，不僅完美解釋了現有實驗，更像一張導航圖，為未來按需設計與搜尋具有理想翻轉特性的反鐵磁材料提供理論指引。

偶數層的層狀反鐵磁體本身凈磁化為零，兩個反鐵磁態在能量上完全簡并，理論上難以被磁場驅動，讓其發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”（參見動畫）。值得一提的是，這一效應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中同樣發現了該效應。“由于實際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層區域率先在磁場下翻轉并形成磁疇壁。”博士生王占山表示，“如同‘多米諾骨牌’現象，隨后材料中極強的層內交換作用驅動著后續的橫向疇壁傳播，最終觸發偶數層區域的集體翻轉。”

gif動畫：二維層間反鐵磁體的“層共享效應”

盡管“層共享效應”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”的磁動力學特征，才是區分二者的關鍵判據。

編輯、審核：艾克旦

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