一天两篇Nature！复旦科研团队取得重要突破

北京时间1月29日凌晨，复旦大学2项科研成果同时发表于《自然》（Nature），复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院周鹏、马顺利研究团队研制“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统，依托“复旦一号”（澜湄未来星）卫星平台在国际上首次实现基于二维电子器件与系统的在轨验证，开辟了原子层半导体太空电子学领域，标志着人类向构建高可靠、轻量化太空电子系统迈出关键一步。

复旦大学应用表面物理全国重点实验室吴施伟、袁喆研究团队发现了一类特殊的低维反铁磁性体系，首次观测到其在外磁场下展现出确定性的双稳态整体切换并完善了经典理论框架，用以描述其背后的物理机制。该成果揭示了低维层状反铁磁体磁化翻转的关键因素与独特效应，推动反铁磁材料研究迈出从“有趣而无用”到“可读可写”的关键一步，为开发新一代低功耗、高速运算芯片提供了新路径。

01

全球首次！

实现二维电子器件的太空在轨验证

人类正不断刷新太空探索的边界，从火星探索到新一代全球通信网络卫星星座的编织，高性能通信系统始终是太空任务的“关键纽带”。然而，在太空中，高能粒子等空间辐射无处不在，极易引发硅基电子器件性能退化，甚至导致灾难性故障，这严重威胁着航天器的在轨寿命。

如何才能增强电子器件的抗辐射能力，让通信系统寿命更长？当前主流的抗辐射方案，是增加屏蔽层或采用冗余加固电路，这虽能提升可靠性，却也付出了体积增大、重量上升、功耗攀升等代价，与未来航天系统“轻量化、智能化、低成本”的发展目标背道而驰。

面对这一挑战，周鹏-马顺利团队创新电子通信系统，提出全新的技术路径。“加强化学键强度、增加冗余等传统抗辐射方案，都是在进行硬性对抗。而我们秉持‘它强由它强，明月照大江’的理念，让辐射粒子‘穿堂而过’、不做停留，好比现实世界里的玻璃对于可见光，二者和谐共处，不带来伤害。”周鹏解释道。

现在通信系统所使用的芯片多由硅材料制作，硅片厚度往往在几百微米，一些薄层硅至少也有几十纳米；而二维半导体材料是原子级别，厚度不到1纳米。团队发现，原子层级薄的二维半导体材料会积累最小的辐射诱导损伤，进而实现空间辐射免疫。即便高能粒子偶尔造成个别原子键的破坏，产生微小缺陷，但对于本身缺陷密度就相对较高的新型半导体材料而言，这种额外损伤对其整体电学性能影响微乎其微。

团队专门对原子层半导体材料及器件进行了地面模拟辐照实验，采用的辐射剂量达到10兆拉德，这也是国内目前能达到的最高剂量水平之一。结果显示，器件性能依然保持稳定。但地面实验的成功只是第一步。长期以来，二维电子系统的空间应用缺乏在轨数据支撑，制约了其从实验室走向工程实际。

历经五年多探索，团队在材料、器件、搭载卫星等多点协同攻关，2022年获得将芯片搭载“复旦一号（澜湄未来星）”卫星平台的机会，随后展开制备通信系统、将芯片与卫星平台对接的复杂系统工程。基于原子层级半导体材料，团队制备了4英寸基于单层二硫化钼（MoS2）的抗辐射集成射频（12~18 GHz）通信系统，该系统被命名为“青鸟”，能够应用于星载通信。

2024年9月24日，“青鸟”通信系统搭载卫星成功发射到距地球约517公里的低地球轨道（LEO）。团队将“复旦大学校歌”的原始手稿照片存入“青鸟”系统的存储器中，并完成了以“复旦大学校歌”为信号的太空星内通信传输，最后经卫星天线发射并返回地面站解码后，“复旦大学校歌”信号复原准确无误。

系统在轨运行9个月后，其传输数据的误码率仍低于10-8，展现出优异的抗辐射性和长期稳定性。即使在辐射环境更为恶劣的地球同步轨道（GEO）上，该二维星载通信系统的理论在轨寿命预计可达271年，较传统硅基系统提升两个数量级。与此同时，系统发射机-接收机链路的功耗不足传统硅基射频系统的五分之一，确保了在严苛功率预算下仍能维持高性能通信。“超长寿命”与“超低功耗”的双重优势，为二维电子系统在深空探测、高轨卫星等空间任务中带来了独特竞争力。

“在航天领域，可靠性和功耗往往比极致的小型化更重要。”周鹏指出，该系统在长寿命与低功耗方面的天然优势，使其在规模化应用后，全生命周期成本将显著低于传统抗辐射方案，“是一个价值可达数十亿甚至百亿美元级别的潜在市场”。

当前，我国航天强国建设与商业航天发展进入快车道，突破空间电子技术瓶颈已成为国家战略科技力量的重要组成部分。新一代抗辐射电子系统，不仅有望支撑下一代卫星互联网、深空探测等重大工程，也将为我国在新一代空间信息基础设施中赢得先机。

复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院马顺利副教授和周鹏教授为论文通讯作者，博士后朱立远为论文第一作者。复旦大学现代物理研究所杨洋副教授团队在载荷设计方面提供了重要技术支持，并高效协调落实了地面辐照实验所需的测试条件。研究工作依托复旦大学“复旦一号（澜湄未来星）”卫星平台开展，得到了科技部、教育部、国家自然科学基金委、上海市科委、科学探索奖等项目的资助，以及教育部创新平台的支持。

02

反铁磁的“集体舞蹈”！

从“有趣无用”到“可读可写”

在磁学领域中，物理学家们对一种叫“反铁磁”的材料又爱又愁。它比人们手机、电脑里使用的铁磁更稳定、更抗干扰，而且理论上运算速度能快上千倍，是制造高速率、低功耗器件的理想材料。

然而，反铁磁像一对紧紧抱在一起、方向完全相反的磁铁，整体看起来没有磁性，也对外磁场不敏感。因此，常规手段难以探测到它，且很难去操控和改变它的状态。正因如此，因反铁磁理论工作获诺贝尔奖的物理学家Louis Néel认为，反铁磁材料是“有趣而无用的”（interesting but useless）。

近几年，二维层状反铁磁材料因其独特的层状磁结构和多样的调控手段而备受关注，有望解决这一传统磁学难题。对于这种材料，它们每一层都具有铁磁性，其磁化方向指向相同，但相邻层的磁化完全相反。像一队排列有序的舞者，每一排都面朝同一个方向，但相邻两排人彼此反向站立。然而，这种材料薄到仅有几个原子层，横向尺寸也只有微米大小，国际上长期缺乏有效的实验平台用以研究。

对此，吴施伟团队基于多年的技术积淀，成功研制了具有自主知识产权的无液氦非线性磁光显微系统。结合非线性光学二次谐波技术，该团队曾在层状反铁磁材料CrI3中观测到源于层间反铁磁性的巨大二次谐波响应，为低维反铁磁性的实验研究建立了新型范式。

一般而言，当一束红光照射在材料表面，反射出来的光通常也是红色。但若材料的某种“对称性（中心反演对称性）”被打破，就会发出不同颜色的倍频光。这种信号，被称为“二次谐波”。

“层间反铁磁结构可以打破这种‘对称性’，加之非线性光学二次谐波具有原子层灵敏度，因此特别适合于研究常规实验手段无法探测的低维层间反铁磁性。这跟杨振宁、李政道先生强调的‘对称性是物理学根源之一’的理念是相通的。”吴施伟解释，“尽管如此，强磁场下的非线性光学研究极易受测量系统中非材料本征的法拉第效应的影响，不过我们也具备相应解决方案以有效剔除实验假象。”

当有了二次谐波这盏低维反铁磁性的“探照灯”后，团队便能目睹各种层状反铁磁体在磁场下的真实行为。对于某一类二维层状反铁磁体，如CrI3与CrSBr，在磁场的作用下，每一排“舞者”都相继逐层翻转方向，表现出“层间自由型”。但这种行为下，调控磁态的同时会破坏原有反铁磁态。

最理想的状态，是所有磁性层同时发生“整体翻转”，即舞者的步调完全一致，同一时间内上下层全体同步“转身”，在保持反铁磁态的基础上实现方向的切换，即“层间锁定型”。寻找满足这一要求的反铁磁材料，对于构建基于反铁磁的新型存储器件至关重要。

当研究团队在另一种层状反铁磁体CrPS4中表征二次谐波响应时，他们发现，偶数层CrPS4的信号强度在磁场下竟表现为单一的磁滞回线，这有别于CrI3与CrSBr所表现的逐层翻转式的多步信号跳变。该发现让团队兴奋不已——这意味着反铁磁体可以被磁场整体切换，并且能够用非线性光学手段灵敏地捕捉到这一行为，令反铁磁材料研究实现了从“有趣而无用”到“可读可写”的关键跨越。

但是，偶数层的层状反铁磁体整体没有磁化，本不该受磁场调控，另其发生整体切换的“动力”是什么？对此，团队提出“层共享效应”。实际样品中，奇数层与偶数层难以避免地横向相连，而奇数层由于具有非零的磁化，故具备磁场驱动的“动力”。因此，奇数层区域的反铁磁态率先在磁场下实现翻转，进而触发相连的偶数层的集体翻转，这一过程类似于“多米诺骨牌”现象。

物理研究不仅在于发现现象，更在于理解其本质。袁喆领衔的理论物理团队，为实验发现建立起了一套坚实而优美的理论框架。受经典铁磁“Stoner-Wohlfarth模型”启发，团队将其推广至反铁磁体系，创新性地提出了“Stoner-Wohlfarth反铁磁模型”，用于定量判断任意二维层状反铁磁体的磁切换行为。

该模型不仅完美解释了为何CrPS4等材料（类似的还有MnBi2Te4）是理想的反铁磁材料，更为未来定向设计高性能反铁磁材料提供了关键理论指引。日后，Stoner-Wohlfarth反铁磁模型有望写入教科书，成为反铁磁领域的标准模型之一。它的提出与完善，生动诠释了理论物理和实验物理的紧密协作。

“我们想从理论上再往前走得更远一些，做更多的探索。”团队期待，该成果能为反铁磁动力学基础研究以及技术应用带来变革性突破，加速低维磁性研究，为未来低维磁性材料集成到自旋电子学等领域开辟新的路径。

复旦大学物理学系吴施伟教授、理论物理与信息科学交叉中心袁喆教授为该工作的共同通讯作者。复旦大学博士生王占山、相怡宁为该工作的共同第一作者。复旦大学刘韡韬教授、孙泽元助理教授等共同参与研究讨论，余伟超青年研究员共同参与理论计算。上海科技大学米启兮教授和柳仲楷教授课题组为该工作提供了高质量CrSBr晶体。中国人民大学雷和畅教授课题组为该工作提供了高质量CrI3晶体。复旦大学张远波教授和阮威青年研究员课题组为该工作提供了高质量MnBi2Te4样品。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、上海市科委和上海市教委等各类经费的支持。