二維磁性材料非線性光學研究獲重要進展

科技日報上海8月1日電 （肖暖暖 記者王春）復旦大學物理系吳施偉課題組與華盛頓大學許曉棟課題組合作，在二維磁性材料雙層三碘化鉻中觀測到源於層間反鐵磁結構的非互易二次諧波非線性光學響應，成功揭示了三碘化鉻中層間反鐵磁耦合與範德瓦爾斯堆疊結構的關聯。該成果8月1日發表在《自然》雜誌上。

二維磁性材料是近年來國際上備受關注的研究熱點。然而由於該材料體系整體對外不表現出磁性，加之樣品既薄又小，其實驗研究一直是領域內的一大難題。

僅有幾個原子層厚的二維反鐵磁材料對外部的物理激勵，一般難以產生可測量響應。吳施偉解釋説：“過去這個問題就像是燈光照不到的地方。然而就是這樣的一種‘暗’狀態，現在能通過二次諧波的方式變‘亮’。”據介紹，研究團隊在實驗中探測的反鐵磁材料僅有兩個原胞層厚度（厚度在2納米以下），在此條件下，中子散射等測量手段很難奏效。針對這一問題，團隊基於多年在二維材料非線性光學研究領域的積累，運用了光學二次諧波這一方法來探測二維磁性材料的磁結構與相關特性。

光學二次諧波不依賴於材料的宏觀磁性，而取決於微觀磁結構造成的對稱破缺。雙層三碘化鉻在反鐵磁態下，其磁結構不但打破了時間反演對稱性，也打破了空間反演對稱性，由此產生強烈的非互易二次諧波響應。在體系升至轉變温度以上，或施加面外磁場拉為鐵磁態後，磁結構的對稱性卻發生了改變，這一二次諧波信號也隨之消失。

研究團隊同時發現，雙層反鐵磁三碘化鉻的二次諧波信號，在響應係數上有三個以上數量級的提升，比常規鐵磁界面產生的二次諧波更是高出十個數量級。利用這一強烈的二次諧波信號，團隊得以揭示雙層三碘化鉻的原胞層堆疊結構的對稱性。