近日，国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心邓龙江院士团队彭波教授课题组与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作研究成果，以“Matters Arising：Dilemma in optical identification of single-layer multiferroics”为题，在《Nature》上发表。彭波教授为共同通讯作者，电子学院博士二年级吴杨柳同学为第二作者，完成了本论文的实验测试工作。

       在多数情况下，材料要么是铁电的，要么是铁磁的。两者天然具有互斥性，铁磁/铁电性共存的单相材料极其罕见。自2003年，王峻岭和Ramesh教授在BiFeO₃薄膜中发现铁电和反铁磁共存以来，非共线螺旋磁序诱导铁电极化也在TbMnO₃中被发现。这种耦合的多铁性状态在电场直驱磁性数据存储器件方面具有巨大应用潜力，将会解决当前磁存储器由于电流驱动而带来的高能耗、低速度等问题，开发高集成、高速度、低功耗存储器件，突破冯·诺依曼计算机构架的“存储墙”难题。

       到目前为止，物理学家只在三维材料样本中观察到多铁特性，且困难重重：（1）I类多铁：铁电和反铁磁共存，两者相互独立，耦合效应弱，难以实现电控磁；（2）II类多铁：非共线螺旋磁序诱导铁电极化，磁控电易，电控磁难，且居里温度低于80K。因此，迄今为止，多铁领域仍存在一个重要科学难题：室温铁磁铁电强耦合。

       二维材料由于强自旋轨道耦合效应、弱屏蔽效应，有望实现强磁电耦合，实现电场直调磁序。但探寻二维多铁性材料充满了巨大的挑战，是近年来研究的热点之一。 然而，在二维体系中，由于磁序、铁电序和二维空间三者相互耦合，不仅导致时间对称性破缺，同时使空间对称性破缺变的极其复杂，因此利用全光学手段鉴定二维多铁性陷入了困境之中。

       铁电性引起空间对称性破缺，导致非线性光学响应：二次谐波（SHG）、线二色性（LD）、偏光显微成像。然而，空间对称性破缺不是铁电性的充分条件，典型如方解石、单层MoS₂等材料具有强SHG特性，但并无铁电性。遗憾的是，这常常被人遗忘，经常将SHG、LD特征作为铁电性的证据，这在光学手段鉴别二维多铁性时更是一个危险的陷阱。

       在二维体系中，磁序不仅可打破时间反演对称性，还能打破空间反演对称性，而后者尤其容易被忽视。因此，在单相低维多铁材料中，SHG、LD及偏光显微成像等光学手段鉴别铁电性陷入困境，其原因在于无法鉴别SHG、LD信号是来源于磁序、还是铁电序。

       本文基于自主设计、搭建的低温强场磁/光/电多场联合测量扫描成像系统，在少层二维NiI₂材料中发现磁序同时打破了时间反演对称性和空间反演对称性，导致了磁圆二色性（RMCD）和LD特征信号（图1），揭示了产生RMCD和LD特征的机制，提出了鉴定二维多铁性的磁光电联合测量方法。

                                         图1：磁序打破时间和空间反演对称性，磁畴与LD光学畴同步协调演化

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彭波，电子科技大学，教授/博导。2005年毕业于兰州大学化学系（本科）；2010年毕业于中国科学院理化技术研究所（博士）。2010至2015年，在新加坡南洋理工大学、新加坡国立大学从事博士后研究工作。2015年6月至今，在邓龙江院士带领的电磁辐射控制材料团队，面向国家重大需求，致力于多铁二维材料基础理论和工程应用研究。负责和参与了基金委等相关部委重大重点项目等10余项，重点开展了磁性二维材料磁光、磁电调控机理研究，突破了磁电耦合“难”、磁光效应“弱”关键科学难题。近五年以第一作者/通讯作者在Nature、Sci. Adv.等期刊发表论文20余篇。2021年获得“纳米研究青年科学家奖”；担任《Sci. China Mater.》青年编委，中国感光学会青年理事；在“PIERS”、“中美华人纳米论坛”等国内外会议上做特邀报告30余次。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/Bo_Peng/publications

论文链接：Yucheng Jiang, Yangliu Wu, Jinlei Zhang, Jingxuan Wei, Bo Peng, Cheng-Wei Qiu，Nature, 100, 1000 (2023)。https://www.nature.com/articles/s41586-023-06107-3