信息来源：物理学院网站 发布日期：2025-09-24

       近日，物理学院季威教授研究组和华中科技大学付英双教授组成联合团队，通过理论计算结合实验测量，在原子级别明确了单层和双层NiI2的螺旋磁序。相关成果以“单层和双层NiI2螺旋磁性的原子级自旋分辨成像” (Spin-resolved imaging of atomic-scale helimagnetism in mono- and bi-layer NiI2)为题，发表在2025年9月23日出版的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS, 122 (39) e2422868122 (2025))上。

研究背景：多铁效应是实现电磁互控的核心原理之一，在基础理论研究和自旋电子学应用领域均备受关注。其中，相较于I型多铁材料，II型多铁材料因磁电同源特性具有更强磁电耦合效应。但亦因这一特性，其材料种类较为稀缺。利用磁性材料中的非共线磁序诱导出电极化，是II型多铁材料的重要物理机制。然而，已发现的非共线磁性材料多为块体。随着以多铁材料为核心的器件小型化需求日臻迫切，研究者们重点关注块体材料中的非共线磁序能否保持到单层极限，并诱导其产生电极化。

针对这一问题，各国研究者围绕NiI2开展了系列研究。块体NiI2是典型的II型多铁候选材料，但是其多铁性能否保持到单层极限仍然存在较大争议：美国研究者发现，在h-BN衬底上生长的NiI2单层在低于20 K时出现新的极化态信号 [实验上表现为观察到增强的二次谐波（SHG）信号，Nature 602, 601 (2022)]；韩国学者在SiO2衬底上生长的NiI2单层中却并未观测到类似现象[Nano Lett. 21, 5126 (2021)]。随后，我国和新加坡学者指出，20 K下增强的SHG信号或源于磁性极化，即无法明确其为电极化，也不能确定单层NiI2是否存在非共线磁序 [Nature 616, E40 (2023)]。此外，来自国内外多个理论计算团队预测的单层NiI2磁性存在显著差异，包括铁磁、反铁磁和五种以上螺磁结构。单层NiI2的磁性究竟如何，研究者一时间莫衷一是。

创新发现：研究组原博士后刘南舒博士(现任职于西南大学)和季威教授等意识到，h-BN和SiO2衬底或对其表面生长的NiI2单层产生显著影响，如引入局域应变、诱发电荷掺杂等。通过细致全面的理论计算，他们揭示了单层、双层及少层NiI2在不同应变和局域电荷掺杂条件下的磁基态转变行为，绘制了相应的相图，并据此自洽解释了美、韩两国研究组在单层NiI2样品中观测到的不同实验结果[Phys. Rev. B 109, 195422 (2024)]。

       在此基础上，他们与付英双教授的实验团队开展合作，结合自旋极化扫描隧道显微镜(SPSTM)表征和密度泛函理论计算，在弱相互作用衬底石墨烯上成功生长了单层和双层NiI2样品，并直接在原子尺度观察到两者中的螺旋磁序。实验测量得到的螺旋磁序方向和周期与前述理论研究（PRB 2024）的预测结果基本一致，进一步印证了研究组此前理论预测的可靠性。

具体而言地，他们发现：单层和双层NiI2依然具有螺旋磁序，但与块体NiI2不同，其螺旋传播矢量Q分别沿着晶格方向（图a）和偏离晶格方向7°（图f）。此外，二者均表现出明暗相间的条纹特征（图b和图e），对应的周期分别为晶格常数的4.50倍（图a和图c，研究组此前预测为4.0倍）和5.03倍（图e和图f，此前预测为5.0倍）。更为有趣的是，计算结果表明，受显著Kitaev相互作用的调控，Ni原子磁矩的螺旋面近似平行于Ni-I平面（图d的灰色矩形所示平面），与此前预测一致。该工作明确证实NiI2的非共线磁序可在二维极限下稳定存在，并展现出不同于体相且具有层数依赖的磁序。厘清单层和少层 NiI₂的本征磁序不仅是理解其自身本征磁学性质的关键，也为二维 II 型多铁材料的理性设计、构筑与器件化奠定了重要基础

团队成员：中国人民大学物理学院博士后刘南舒（现任职于西南大学）、华中科技大学在读博士生缪茂朋为论文共同第一作者。物理学院季威教授和华中科技大学付英双教授为该论文的共同通讯作者。该论文的理论计算部分由刘南舒和季威教授完成，其余部分由合作单位完成。该论文得到了国家自然科学基金、科技部和教育部等的支持。相关计算工作在中国人民大学计算云平台和物理学院高性能计算实验室等处完成。

期刊介绍：《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences），通常简称为PNAS，是美国国家科学院（NAS）的官方期刊。它是世界上最重要、最负盛名的多学科科学期刊之一，覆盖范围极其广泛，包括物理学、生物学、社会科学等多个前沿领域。PNAS以其发表具有高水平、原创性和深远影响力的研究成果而闻名，尤其注重那些能够推动不同学科交叉融合的重要发现。该期刊是全球科研人员发布其顶尖科研成果的首选平台之一。

论文链接：Spin-resolved imaging of atomic-scale helimagnetism in mono- and bilayer NiI2, Mao-Peng Miao, Nanshu Liu, Wen-Hao Zhang, Jian-Wang Zhou, Dao-Bo Wang, Cong Wang, Wei Ji, and Ying-Shuang Fu, PNAS 122 (39), e2422868122 (2025)