复旦大学，Nature Materials！

层状反铁磁体是近年来材料科学中的一个重要研究方向，因其独特的磁性和潜在的应用前景，成为了研究热点。尤其是二维层状反铁磁体，其每一单层都表现为双重磁性状态（例如‘←’和‘→’），可以作为二进制位，从而为自旋电子学、计算和人工智能等领域提供了新的可能。然而，随着层数增加，层间反铁磁耦合和层内磁各向异性之间的微妙平衡使得该材料的磁性状态复杂多变，如何精准控制和解析层选择性的磁性多晶型成为一个亟待解决的挑战。传统的磁性表征技术，如中子散射、磁光克尔效应和扫描探针显微技术，难以解决二维层状反铁磁体中复杂的多晶型识别问题，尤其是在原子级厚度和微米尺度下的层分辨率磁性表征。

为了解决这一问题，复旦大学吴施伟等人在Nature Materials期刊上发表了题为“Resolving and routing magnetic polymorphs in a 2D layered antiferromagnet”的最新论文。科学家们提出了相位分辨的二次谐波生成（phase-SHG）显微技术，用于精确解析二维层状反铁磁体的磁性多晶型。通过这种非线性磁光技术，研究人员成功地实现了对CrSBr双层和四层的层选择性磁性多晶型解析，揭示了磁性自旋翻转过渡的确定性路由，且发现了‘层共享’效应在磁性多晶型的调控中起到了关键作用。

研究表明，扩展的双层不仅能够控制关联四层的磁性多晶型，还能在二维平面内延伸数十微米的磁化。这一研究成果为新型自旋电子学和光自旋电子学器件的设计和构建提供了新的思路。

1. 实验首次使用相位分辨的磁性二次谐波显微镜技术，揭示了二维层状反铁磁体CrSBr中的磁性多晶型，并实现了层选择性磁性开关。通过该技术，实验成功地解析了CrSBr双层和四层中的磁性多晶型。

2. 实验通过非线性磁光技术解析自旋翻转过渡，并利用幅度与相位信息，明确了CrSBr双层和四层中的多晶型自旋翻转现象。结果表明，四层样品中存在简并的磁性多晶型，表现为非重复的自旋翻转过渡和随机域形成。

3. 实验发现层邻接效应（‘层共享’效应）对磁性多晶型的控制作用，其中双层通过其铁磁耦合作用，决定了四层的磁性过渡，并锚定了四层的磁化状态。该效应使得四层样品中的磁性多晶型具有较高的重复性，且能精确控制自旋翻转。

4. 实验提出了可控的磁性多晶型可能在范德华层状反铁磁体中普遍存在，为基于概率计算和神经形态工程的自旋电子学与光自旋电子学器件的设计与构建提供了新的思路。

图1：层状反铁磁体的组合特性。

图2：分层CrSBr中反铁磁性结构的解析。。

图3：四层CrSBr上的磁光二次谐波（Magneto-SHG）滞回曲线。

图4：非孤立四层CrSBr上的磁光光致发光（Magneto-PL）回线及光谱。

图5：非孤立四层和扩展的两层CrSBr的磁结构及转变的解析。

图6：少层CrSBr中的层共享效应。

磁性多晶型作为固有现象，在二维材料中表现出多种层选择性的磁性状态，且这些状态具有简并性，进一步推动了对复杂磁性相互作用的深入探索。通过相位分辨磁性二次谐波显微镜（SHG）技术，本文成功揭示了磁性多晶型的层分辨控制，解决了传统实验技术难以突破的层次辨识问题。此外，层共享效应被提出并证实为控制磁性多晶型的关键机制，揭示了横向扩展的双层或单层在更厚层中对磁性状态的调控作用。这一发现为自旋电子学和光自旋电子学器件的设计开辟了新的思路，特别是在概率计算和神经形态工程等新兴领域的应用潜力。研究表明，通过局部控制和激光切割技术，可以更精确地操控磁性多晶型，为下一代自旋电子器件提供了新的设计策略，推动了磁性材料研究的新方向。

Sun, Z., Hong, C., Chen, Y. et al. Resolving and routing magnetic polymorphs in a 2D layered antiferromagnet. Nat. Mater. (2025).