近日，中国人民大学物理学院季威教授研究组联合武汉大学张晨栋教授等组成联合研究团队，通过理论计算结合实验测量，在单层二维材料三氯化钒（VCl3）中，实现了反铁磁性与铁电性共存，揭示了范德华界面相互作用对磁-电共存的调控机制。相关研究成果以“Evidence of Ferroelectricity in an Antiferromagnetic Vanadium Trichloride Monolayer”为题，于2025年3月5日发表《Science》子刊《Science Advances》[Science Advances 11, eado6538 (2025)]上。
自发对称性破缺是凝聚态物理中的核心现象之一，也是产生极化态的关键机制，与磁性、超导电性、铁电性等密切相关。它还为信息存储和处理提供了原理基础，也是电子信息领域关心的关键科学问题之一。多铁性材料因能同时展现磁性与铁电性，成为低能耗、高密度信息存储和新型电子器件开发的重要候选材料，也为深入理解凝聚态系统中复杂有序态的形成和调控提供了材料平台。传统多铁性材料多以体相形式存在，然而，在二维极限下，热涨落和量子涨落显著，较低的对称性也限制了其自发破缺的可能性，使得磁-电共存面临巨大挑战。尽管最近的研究表明，磁性和铁电性可分别在单层二维材料中独立存在，但单层多铁性（磁电共存）的存在仍缺乏确凿证据。
针对这一挑战，合作团队利用二硒化铌(NbSe2)范德瓦尔斯衬底的强层间电子耦合特性，在磁性VCl3单层中诱导出通过结构与磁性耦合的面内电铁电性。具体地，通过分子束外延生长和扫描隧道显微镜（STM）观测，团队发现VCl3原子结构发生显著畸变，并直接观测到铁电畴壁及能带弯曲现象（图1），测得铁电极化强度约为0.04 μC/cm2，并成功实现了铁电畴翻转。振动样品磁强计（VSM）测量进一步证实VCl3具有反铁磁性，并在16 K温度下发生磁相变。
图1. 在NbSe2衬底上生长的单层VCl3原子结构畸变(A)、铁电畴壁(B)和能带弯曲现象(C,D)。
密度泛函理论计算揭示了具有方向性的Cl–Se界面相互作用在破缺VCl3的C3面内旋转对称性、继而诱导面内铁电性中的关键作用。在不具有方向性相互作用的石墨烯—VCl3界面中，单层VCl3并未显著破缺面内旋转对称性，也未展现出面外电极化，印证了具有方向性的界面相互作用在诱导面内铁电性中的重要性。这一成果不仅为二维单层极限下的多铁性材料研究奠定了基础，也初步揭示了旋转对称性破缺与面内电极化之间的深刻联系，还为利用范德华界面相互作用诱导和调控多铁性开辟了新的思路，也为推动新型多功能器件研发提供了原理基础。
图2. 单层VCl3与NbSe2 (A-D)和石墨烯(F-H)衬底界面处的自旋密度分布图(A,F)及差分电荷密度分布的俯视(B,G)和侧视(C,D,H)图。
四川师范大学物理与电子工程学院讲师郭的坪博士（物理学院2024级博士毕业生）和武汉大学邓京昊博士、文耀博士、卢双赞博士为论文的共同第一作者。物理学院季威教授、武汉大学张晨栋教授、武汉大学何军教授为该论文的共同通讯作者。该工作的理论计算部分由郭的坪博士和季威教授完成，实验部分由合作单位完成，并得到了国家自然科学基金、科技部、教育部等的支持。相关计算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完成。
文章链接：Evidence of Ferroelectricity in an Antiferromagnetic Vanadium Trichloride Monolayer | Science Advances