層狀反鐵磁體是近年來材料科學中的一個重要研究方向，因其獨特的磁性和潛在的應用前景，成為了研究熱點。尤其是二維層狀反鐵磁體，其每一單層都表現為雙重磁性狀態（例如‘←’和‘→’），可以作為二進制位，從而為自旋電子學、計算和人工智能等領域提供了新的可能。然而，隨著層數增加，層間反鐵磁耦合和層內磁各向異性之間的微妙平衡使得該材料的磁性狀態復雜多變，如何精準控制和解析層選擇性的磁性多晶型成為一個亟待解決的挑戰。傳統的磁性表征技術，如中子散射、磁光克爾效應和掃描探針顯微技術，難以解決二維層狀反鐵磁體中復雜的多晶型識別問題，尤其是在原子級厚度和微米尺度下的層分辨率磁性表征。

為了解決這一問題，復旦大學吳施偉等人在Nature Materials期刊上發表了題為“Resolving and routing magnetic polymorphs in a 2D layered antiferromagnet”的最新論文?？茖W家們提出了相位分辨的二次諧波生成（phase-SHG）顯微技術，用于精確解析二維層狀反鐵磁體的磁性多晶型。通過這種非線性磁光技術，研究人員成功地實現了對CrSBr雙層和四層的層選擇性磁性多晶型解析，揭示了磁性自旋翻轉過渡的確定性路由，且發現了‘層共享’效應在磁性多晶型的調控中起到了關鍵作用。

研究表明，擴展的雙層不僅能夠控制關聯四層的磁性多晶型，還能在二維平面內延伸數十微米的磁化。這一研究成果為新型自旋電子學和光自旋電子學器件的設計和構建提供了新的思路。

1. 實驗首次使用相位分辨的磁性二次諧波顯微鏡技術，揭示了二維層狀反鐵磁體CrSBr中的磁性多晶型，并實現了層選擇性磁性開關。通過該技術，實驗成功地解析了CrSBr雙層和四層中的磁性多晶型。

2. 實驗通過非線性磁光技術解析自旋翻轉過渡，并利用幅度與相位信息，明確了CrSBr雙層和四層中的多晶型自旋翻轉現象。結果表明，四層樣品中存在簡并的磁性多晶型，表現為非重復的自旋翻轉過渡和隨機域形成。

3. 實驗發現層鄰接效應（‘層共享’效應）對磁性多晶型的控制作用，其中雙層通過其鐵磁耦合作用，決定了四層的磁性過渡，并錨定了四層的磁化狀態。該效應使得四層樣品中的磁性多晶型具有較高的重復性，且能精確控制自旋翻轉。

4. 實驗提出了可控的磁性多晶型可能在范德華層狀反鐵磁體中普遍存在，為基于概率計算和神經形態工程的自旋電子學與光自旋電子學器件的設計與構建提供了新的思路。

圖1：層狀反鐵磁體的組合特性。

圖2：分層CrSBr中反鐵磁性結構的解析。。

圖3：四層CrSBr上的磁光二次諧波（Magneto-SHG）滯回曲線。

圖4：非孤立四層CrSBr上的磁光光致發光（Magneto-PL）回線及光譜。

圖5：非孤立四層和擴展的兩層CrSBr的磁結構及轉變的解析。

圖6：少層CrSBr中的層共享效應。

磁性多晶型作為固有現象，在二維材料中表現出多種層選擇性的磁性狀態，且這些狀態具有簡并性，進一步推動了對復雜磁性相互作用的深入探索。通過相位分辨磁性二次諧波顯微鏡（SHG）技術，本文成功揭示了磁性多晶型的層分辨控制，解決了傳統實驗技術難以突破的層次辨識問題。此外，層共享效應被提出并證實為控制磁性多晶型的關鍵機制，揭示了橫向擴展的雙層或單層在更厚層中對磁性狀態的調控作用。這一發現為自旋電子學和光自旋電子學器件的設計開辟了新的思路，特別是在概率計算和神經形態工程等新興領域的應用潛力。研究表明，通過局部控制和激光切割技術，可以更精確地操控磁性多晶型，為下一代自旋電子器件提供了新的設計策略，推動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).