北航新闻网3月10日电（通讯员 王琳）在信息技术不断追求更高速度和更低能耗的今天，人们一直在寻找称之为“多铁材料”的新型材料：既能用电场写入信息，又能通过磁性读取信息。如果能够实现这种功能，未来的电子器件将大幅降低能耗，并可能推动新一代存储与计算技术的发展。多铁材料能够同时具有铁电性和磁性，并通过所谓的磁电耦合效应实现两种物理性质之间的相互控制。然而，在现实材料中，这两种性质往往很难共存。传统块体多铁材料常常存在极化强度较小、磁电耦合弱以及环境稳定性差等问题，这些因素限制了它们在电子器件中的应用。二维材料的兴起为解决这些问题提供了新的可能，但能够在室温条件下稳定工作的二维多铁体系仍然非常罕见。

近日，北京航空航天大学物理学院杜轶团队与合作者团队在《Nature Materials》发表题为“Room-temperature two-dimensional multiferroic metal with voltage-controllable magnetic order”（原文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02537-2）的文章报道了一种在空气中稳定的双层CrTe₂材料，在室温下同时具有铁电性和磁性，并且两者可以相互调控的室温多铁性，为这一目标提供了重要突破。这种材料是由两层原子级厚度的二碲化铬（CrTe₂）组成的二维晶体。研究发现，当CrTe₂只有单层时，它表现出反铁磁特性；而当材料形成双层结构时，两层之间会出现一种特殊的磁性排列：一层呈现反铁磁序，而另一层呈现铁磁序。这种层间磁性差异使材料在室温下同时具备磁性与电极化特性，从而成为一种罕见的二维多铁金属。通过扫描隧道显微镜、低能电子衍射等手段，首先确认了材料的原子结构和层状排列。随后，利用超导量子干涉磁强计，发现双层CrTe₂在室温仍保持明显的铁磁特性，而单层则表现为反铁磁性。为了进一步确认材料是否具有铁电性，研究团队使用压电力显微镜进行测量。结果显示，双层CrTe₂出现了典型的铁电滞回曲线，并且极化方向可以通过外加电压进行翻转，而单层材料则没有这种现象。这意味着只有在双层结构中，材料才同时具备铁电和磁性两种性质。

图1 单/双层CrTe₂的原子结构与电子性质表征，显示出典型的二维层状结构和金属性质。

本工作还展示了一种长期以来被认为是多铁材料重要应用目标的功能：“电写入、磁读取”。在实验中，他们先通过施加电压在材料表面写入特定的铁电畴结构，然后利用磁力显微镜对同一区域进行磁成像。结果发现，电场写入的极化结构会直接改变材料的磁畴分布，这表明电极化能够控制磁性状态，证明了两者之间存在强磁电耦合。理论分析进一步揭示了这种耦合的物理机制。传统多铁材料通常依赖自旋轨道耦合来产生磁电效应，但这种机制在高温下往往不稳定。而在双层CrTe₂中，研究人员提出了一种不同的机制：由于铁磁层和反铁磁层对电子填充的需求不同，电子会在两层之间发生转移，从而形成电荷不对称。这种电荷重新分布会打破晶体的反演对称性，产生自发电极化，同时又与磁性排列密切相关。换句话说，磁性结构和电极化是通过层间电荷转移紧密联系在一起的。这一机制为设计二维多铁材料提供了一种新的思路：通过调控电子填充和层间相互作用，可以在原子级薄膜中构建稳定的多铁体系。这种策略有望推广到其他层状材料中，从而进一步拓展二维多铁材料家族。

图2 双层CrTe₂的室温多铁性。

通过超导量子干涉仪（SQUID）测量显示双层CrTe₂显示出明显的室温铁磁性质。压电力显微镜证明铁电电滞回线仅存在于双层CrTe₂中。

图3 多铁性双层CrTe₂的PFM电写入与MFM磁读取。

在双层CrTe₂中写入铁电畴结构的信息后（PFM图像）可以发现影响了磁畴的翻转。在双层CrTe₂相同区域拍摄的MFM图像，显示了铁电极化写入后的磁畴重构。随着PFM写入偏压的增加，在PFM和MFM通道中，写入信息的区域随施加相反偏压区域的对比度均变得更强。

从应用角度来看，这一发现为开发超低功耗自旋电子器件提供了新的材料平台。例如，在未来的存储芯片中，信息可以通过电压写入，而读取则通过磁信号完成，从而显著降低能耗并提高效率。与此同时，二维多铁材料还可能在量子传感、可编程磁电子器件以及后摩尔时代的纳米电子学中发挥重要作用。

图4 金属性双层CrTe₂中净极化的产生机制。

北京航空航天大学物理学院杜轶教授、中科院物理研究所陈岚研究员、浙江大学物理学院陆赟豪教授为共同通讯作者。合作单位还包括中国科学院大学、牛津仪器、中国科学技术大学国家同步辐射实验室、中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心、松山湖材料实验室、浙江钱塘高等研究院、东方理工大学。

（审核：王菲）

编辑：贾爱平