南京大学突破性研究：铁转序电控翻转技术及圆偏振拉曼散射实验方法
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南京大学也是席潇湘的母校。 2007年从南洋理工大学毕业后，他来到美国佛罗里达大学物理系攻读博士学位，随后在美国布鲁克海文国家实验中心从事博士后研究。
2014年，奚潇湘开始在美国宾夕法尼亚州立大学担任助理研究员。 2016年回国并正式加入南京大学。
他说：“我的母校南京大学在物理学领域有着优良的传统和突出的发展势头，我作为一名青年学者有责任为其进一步发展做出贡献。此外，我的家人都在中国。”因此，选择回到中国、回到母校，我可以充分展示自己的才华、追求自己的理想，同时也能很好地承担起责任。”
目前，实验凝聚态物理是奚潇湘的主要研究方向。在最近的一项工作中，他和他的合作者研究了一种新型黑色金属材料。
所谓铁性是指材料中表现出高度有序排列的某种性质，通过与特定的外场相互作用，可以实现不同取向状态之间的可控翻转。
磁铁是最常见的铁磁性材料之一。其原子的磁矩呈现出高度有序的状态，仿佛每个原子都携带着一个微型指南针，而这些“指针”都指向同一个方向（下左图）。
这种奇妙的、高度有序的状态来自于材料内部大量原子的自发集体行为。单个微小“指针”产生的物理效应很小，但当所有原子联合起来并将它们的“指针”指向同一方向时，它们就可以表现出宏观磁性。中国“四大发明”之一的指南针就是用这种铁磁材料制成的。
可以调整指南针以与地磁场方向对齐。这意味着磁场与铁磁有序相互作用。
事实上，铁磁材料中的微观“指针”可以均匀地向上或向下指向，并且这两种取向状态之间的翻转可以通过与磁场耦合来实现（上图右）。正是基于铁磁材料的这种特性，人们实现了计算机硬盘的数据存储功能。
除了铁磁材料之外，铁材料的其他典型例子包括铁电材料和铁弹性材料，它们在信息存储、能量转换和传感等领域有着广泛的应用。如今，铁序的研究已成为凝聚态物理的一个重要分支。
除了这些已确认的铁订单外，还有其他类型的铁订单吗？针对这一问题，奚晓祥课题组正在研究一种新型的铁序，称为铁过渡序。
铁旋转有序的基本特征是某种形式的微观旋转在材料中高度有序地排列，形成宏观有序状态。简单来说，它有两种稳定的取向状态，分别对应微观的顺时针旋转和逆时针旋转（下图）。
这就要求材料中的所有原子必须共同作用，共同形成微观上扭曲但宏观上有序的“结构”。
此前，当铁过渡级理论提出时，由于无法与磁场、电场等常见外场耦合，实验研究充满挑战。
直到2020 年，才有报道证明这种有序状态可以被检测到。然而，实现其定向状态的可控翻转是该领域公认的问题。解决这个问题不仅是证明铁过渡序属于铁序的重要一步，也是其应用的前提。
此前，受铁磁性等铁磁材料研究的影响，人们认为，为了翻转铁转变取向态，必须找到与铁转变序耦合的外场。
奚小祥团队发现这并不是唯一的办法，即依靠磁畴壁的移动也可以实现定向状态的翻转。
当两种取向态同时存在于材料的不同区域时，这两个区域之间的边界称为畴壁（上图）。如果能够推进这个极限，就可以实现两种取向状态之间的相互转换。这就像一组多米诺骨牌，最初倒向左边。从左边开始，拿起一张多米诺骨牌并将其推到右边。这会产生连锁反应，导致所有多米诺骨牌一一倒向右侧。
所有多米诺骨牌都向左倒下或全部向右倒下，对应于两种方向状态。在翻转过程中，暂时处于直立状态的多米诺骨牌对应于磁畴壁的位置。
值得强调的是，他们利用电场来实现铁过渡畴壁的运动。此前，人们认为电场不能与铁转变序列本身耦合，因此该解决方案被忽略。
可以说，这项工作以一种意想不到但合理的方式实现了铁转变序列的可控逆转。
这不仅可以推进铁过渡序的研究，而且对于操纵其他铁序也具有参考价值。
近期，相关论文以《纳米厚 1T-TaS2 晶体中铁转序的电控翻转》（Electricalswitchingofferro-rotationalorderinnanometre-thick1T-TaS2crystal）为题发表在NatureNanotechnology[1]上。刘淦为第一作者，以色列魏茨曼科学研究所颜丙海教授和南京大学奚晓翔教授为共同通讯作者。
从目前学术界对铁跃迁顺序的研究和认识来看，这一成果最有可能用于非易失性信息存储。其中，铁过渡序的两种不同取向状态可以对应二进制中的0和1。
此外，这项工作还证明了在室温下施加几伏的直流电压即可写入信息，并且可以光学读取信息。
然而，在实现信息存储功能方面，目前的光学读取方法限制了操作速度。因此，与铁磁性等其他黑色材料相比，优势还不够明显。
因此，作为一种新型黑色金属材料，黑色金属材料的实用性还需要进一步探索，以实现其他黑色金属材料所不具备的特殊应用。
这个话题的起源要从两年前说起。 2021年，在一次学术会议上与上海科技大学刘忠凯教授进行讨论后，奚小祥对1T相二硫化钽材料体系产生了兴趣。当时，刘仲凯团队已经获得了详细的实验数据，发现上述材料中的手性特征可以反映在电子能带上。
会后，利用刘仲凯提供的样品，奚潇湘团队立即开始寻找光学响应中手性特征的表现。最终，2022年，双方在《Physical Review Letters》上联合发表了一篇论文[2]。基于本文的光学方法，奚晓翔课题组开展了此项研究。
奚小祥在这个项目中提出的想法是通过电的方式实现手性的翻转，并且需要与升高和降低温度结合起来操作。
其实这个想法更多的是一种直觉。但大多数时候，直觉无法通过实验来证实。但这次偶然的成功却让奚潇湘格外难忘。
他说：“我记得很清楚，第一次尝试是在2021年国庆前一天晚上，我当时的硕士生何宽宇刚刚完成了第一个装置，决定留在实验室完成初步尝试。开始服用一个假期。”
当晚十点左右，何宽宇将数据发给了席潇湘。数据显示，研究团队的预期目标已经达到。
席潇湘继续道：“但我们还是抑制住了激动的心情，小心翼翼地重复了几次测量。事实上，如果我们从一开始就对铁转变序列有充分的了解，知道它不能与电场耦合，那么就应该我们认为这是一个可行的解决方案，这可能就是审稿人认为我们的发现令人惊讶的原因，而正是我们的无知鼓励我们采用一种不被常识认可的解决方案。”
当然，无知的代价是他们在实验中走了很多弯路。整个实验历时一年多，由四名研究生完成。
整个过程也经历了很多波折。如前所述，该项目的出发点是基于先前建立的平面手性灵敏检测实验方法。平面手性和铁传递顺序是两个密切相关的概念。但他们一开始并没有意识到这一点，而是只关注平面手性。
当时，他们认为既然可以检测到两种手性态，就可以尝试通过电场将它们转换，并实时监测状态的变化。初步尝试将电场与升温、降温操作结合起来，取得了良好的效果。
在此期间，团队提出了一个简单的模型来考虑手性态和电场的耦合。但后来发现该模型存在重大错误。
然而，基于这个模型的思考促使他们发现了另一种调控途径，从而可以在恒温条件下实现手性翻转。至此，清晰、完整的实验数据全部就位。在两种不同方法的帮助下，研究小组展示了电子控制手性态的翻转。
随后他们推翻了上述模型，试图寻找物理机制的合理解释。经过进一步的研究和分析，他们意识到他们实际上无意中实现了电控熨斗旋转顺序的反转。两种不同的手性状态对应于铁过渡序的两种取向状态。
在铁序列的框架下，他们也对结果的意义有了更深入的认识。为了深入探讨电调节的物理机制，研究团队与合作者进行了多轮讨论，最终提出了一种可能的解释并在论文中提出。
他们计划将这次开发的方法应用到更多的材料上。一方面，我们希望发现更多的铁旋转材料，另一方面，我们希望通过电场等外场来检验铁旋转顺序可控翻转的普适性。
理论上预测，铁的旋转顺序会导致一系列新颖的物理效应，例如在外场作用下出现各种类似于霍尔效应的横向响应。因此，在实验中实现这些效应将是一个非常有意义的研究方向。
参考：
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用户评论
南大这次的研究成果真让人眼前一亮，特别是那个基于圆偏振拉曼散射的方法，太前沿了！
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铁转序的电控翻转技术听起来就很厉害，南大真的是在科研上不断突破啊。
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这个实验方法听起来很高大上，但对于普通读者来说有点难懂，希望有更多科普文章解释。
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南大这次的研究成果对于材料科学来说意义重大，期待后续的应用进展。
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圆偏振拉曼散射听起来就像是科幻电影里的技术，没想到已经实现了，太神奇了！
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这种技术未来能应用在哪里呢？希望南大的研究能为我们的生活带来更多便利。
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南大的科研团队真是干劲十足，每次看到他们的成果都备受鼓舞，希望能有更多年轻人加入科研行列。
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铁转序的电控翻转技术挑战性很大，南大能攻克这个难题真是不容易，为他们点赞。
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这个实验方法的细节听起来很复杂，不过能为科研提供新的思路，真是太棒了。
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南大的研究成果总是那么令人振奋，希望将来能看到更多的实际应用。
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铁转序的电控翻转技术听起来很有前景，但具体怎么应用还不是很清楚，希望能有更多详细介绍。
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圆偏振拉曼散射这个方法听起来很高端，但希望能有更多普通人也能理解的科普文章。
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南大的科研团队真的太厉害了，每次都能带来令人惊喜的成果，期待他们的更多突破。
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这种技术的实现无疑会为科研领域带来重大影响，南大再次走在了前列。
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铁转序的电控翻转技术能解决哪些实际问题呢？期待更多的实际案例来验证。
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南大的研究总是那么前沿，这次的圆偏振拉曼散射方法更是让人惊叹，希望未来能看到更多实际应用。
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这种新的实验方法真的很有创新性，希望能为材料科学带来新的突破。
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南大的科研成果总是那么震撼，这次的铁转序电控翻转技术更是让人振奋。
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圆偏振拉曼散射听起来就像是未来的科技，希望能有更多普通人能理解的科普文章。
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南大的这次研究成果真是令人激动，希望未来能有更多的科研突破为我们的生活带来更多便利。
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