所谓“大道至简”，在物质科学研究中，结构简洁、变量可控的材料体系更有助于揭示物理规律。仅原子级厚度的二维量子材料就提供了这样的研究平台。然而，材料变薄也让探测信号变得异常微弱，如何在二维尺度上开展实验研究，成为复旦大学物理学系教授吴施伟团队长期攻关的科学问题。
为此，团队发展了对物质对称性高度敏感的非线性光学显微技术，并自主研制无液氦低温强磁场多模态磁光显微镜，为探索材料中的新物理造出一双“中国眼睛”。借助这套高端仪器，团队围绕层状材料的堆叠演生物理、石墨烯的非线性光电调控以及二维磁性的层间磁耦合取得一系列原创成果，项目“二维体系中非线性光学效应的机制与调控研究”获得2025年度上海市自然科学一等奖。
从二维材料里，看见新的物理
为什么要把材料“减薄”到二维？吴施伟说：“三维材料像一本厚厚的书，各种物理因素交织在一起，很难分辨每一种效应带来的贡献；单个原子又太简单，无法体现真实材料中大量原子相互作用产生的效应。”
二维材料恰好介于两者之间，就像把一本书拆成一页页纸，既保留了集体效应，又足够干净简单。同时，材料变得“扁平”后，光与物质的相互作用也有了更多可调控的空间，一些新的非线性光学效应由此显现。
这些变化如何被看见？光可以给出答案。在普通的反射和折射中，光的频率基本不变；在非线性光学过程中，材料则会产生二次谐波、三次谐波等新频率的光。这些信号非常微弱，却对材料内部的对称性十分敏感。晶格如何堆叠、自旋怎样排列、电子处于什么状态，都可能留下不同的“光学指纹”。吴施伟说：“一方面，我们想借助二维材料发现新的非线性光学机制；另一方面，也想反过来把非线性光学变成研究二维材料的新工具。”
为微弱信号造一双灵敏的“眼睛”
许多电子和自旋状态只在低温下才会显现，要开展研究，首先得让样品足够冷、仪器足够稳定。传统低温实验通常依靠液氦制冷，成本高昂。吴施伟回忆，自己读研究生时，一升液氦约15美元，一天实验接近要用掉30升。
近年来，无需消耗液氦的低温制冷技术日渐成熟，却带来了另一个问题：制冷机运行时会持续产生振动，而显微测量最怕“抖”。团队成员孙泽元打了个比方：“就像用单反相机拍照，镜头再好，只要拿相机的手一抖，画面就糊了。”
2011年回国后，吴施伟开始直面这个难题：能不能发明一种完全不消耗液氦又没有振动的低温制冷技术？他带领团队持续攻关，尝试让氦气在制冷机和探测端之间传递低温，同时尽可能隔离制冷机产生的振动，最终成功研发出了无液氦制冷隔振技术。
随后，团队应用核心技术，设计研发了国际领先的无液氦低温强磁场非线性光学显微镜。它不消耗液氦就能够在零下270多度的温区连续运行，并有效隔离了机械振动。吴施伟说：“研发实验设备本身也是科研。科学问题需要什么样的‘眼睛’，我们就从原理、结构和技术做起，把它造出来。”
这双“眼睛”能看见什么
有了这双“眼睛”，团队开始重新审视二维材料中一些悬而未决的问题。常规手段“看不见”的东西，能不能被非线性光学“看见”？
物理学家对反铁磁一直“又爱又愁”：它比手机、电脑中常用的铁磁材料更稳定、抗干扰能力更强、响应速度更快，但内部磁矩方向相反、彼此抵消，对外几乎不表现出磁性，常规手段很难探测，更谈不上操控。曾凭借反铁磁研究获得1970年诺贝尔物理学奖的法国物理学家路易·奈尔，甚至称反铁磁“有趣但无用”。团队应用自研显微系统，在仅有两个原子层厚的三碘化铬中首次捕捉到巨大的磁致非线性二次谐波信号，强度比传统三维材料中的同类效应高出约6个数量级。这是国际首次在二维尺度看到这一效应，打破了“反铁磁体难探测”的多年痛点。
回答了能否“测得到”的问题，还要看能否“测得准”。长期以来，不同实验室测得的石墨烯三阶非线性光学系数竟相差百万倍。团队引入电学调控后发现，石墨烯的非线性光学响应会随载流子状态大幅变化——测量条件不同，结论自然迥异。这不仅解释了困扰学界多年的实验分歧，也证明光学响应可以被主动调控，为新型光电器件设计提供了可能。
团队自主研发的非线性磁光显微系统
怎么让这些发现变得“有用”？团队从“拆书”走向了“拼书”，他们像折纸一样折叠单原子层厚的二硫化钼，发现堆叠方式会改变能带结构以及能谷和自旋状态。例如，在三层石墨烯中，ABA和ABC两种堆叠次序就会呈现鲜明的信号差别。研究人员利用这种差别，可以无损识别不同堆叠区域。非线性光学不再只是观察物理的工具，本身也成为制备和表征二维材料的新手段。
吴施伟表示，“我们从科学问题出发，先创造新的测量能力，再用这种能力进入常规手段难以到达的无人区。这套方法在二维材料的研究中发挥了重要作用，但绝不仅限于研究二维材料。”这双“中国眼睛”正在看向更远的地方。据悉，该系统已吸引多家国内外科研单位开展合作，无液氦低温精密仪器将逐步走进更多实验室。团队也在攻关更高空间分辨率和更低温度的新一代系统。在他们看来，看清二维世界里的光，才刚刚翻开第一页。
