近日，我系徐长松青年研究员和向红军教授课题组在磁性莫尔超晶格材料的磁电耦合研究领域取得进展。相关研究成果以 “Moiré-Induced Magnetoelectricity in Twisted Bilayer NiI₂” 为题，于2025年11月3日发表在《Physical Review Letters》上，并被选为编辑推荐论文 (Editors’ Suggestion)。

莫尔图案由两周期结构的微小错位产生，在扭转范德瓦尔斯材料中形成长周期超晶格，从而重构能带并诱发强关联、拓扑量子态及平带相关的关联绝缘体与非常规超导等现象。近年来，这一研究思路被拓展至二维磁性范德瓦尔斯体系，其层间堆垛对磁交换与磁序具有深刻影响，而转角体系中多种堆垛构型在单一莫尔周期内天然共存，为揭示堆垛依赖的磁性演化提供了独特平台。但由于莫尔超晶格原子数庞大，主流有效模型方法难以同时兼顾原子弛豫与自旋–晶格耦合效应。另一方面，多铁效应是实现电磁互控的核心机制，II型多铁因磁电同源而具备强磁电耦合，却受限于材料体系的稀缺；非共线磁序诱导电极化是其中关键途径，而已知体系多为块体。随着器件微型化需求的提升，NiI₂因在二维极限下仍能保持非共线磁序并潜在产生电极化而备受关注。针对上述问题，为实现对转角磁性体系在莫尔尺度下的精确模拟，研究团队发展了面向磁性体系的机器学习势函数框架 SpinGNN++。该方法在图神经网络基础上引入自旋自由度，可同时预测原子间相互作用与自旋相互作用，从而实现对结构与磁态的同步模拟。

本研究发现，随着扭转角度的减小，层间莫尔势显著增强（见图2）。当转角约为 2.13° 时，体系中出现与莫尔势同步调制的有序自旋螺旋结构，其诱导的铁电极化分布亦呈现出与莫尔势空间周期相一致的图样（见图4）。研究进一步揭示，转角体系中的铁电极化并非源于单一机制，而是由离子位移、自旋序诱导及堆垛等多重因素共同驱动，其形成机理远比传统认识更为丰富和复杂，为多铁材料的工程化设计提供了通用策略。

我系博士后朱海燕和博士生于宏宇为论文共同第一作者，向红军教授和徐长松青年研究员为共同通讯作者。我系的博士后喻国粮（现湖南师范大学）、博士生朱炜钦参与了该工作。该工作获得了复旦大学物理系、计算物质科学教育部重点实验室、应用表面物理国家重点实验室、国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市科委等的大力支持与资助。徐长松课题组主要开展计算凝聚态物理（有效哈密顿量、多铁、磁性、斯格明子等）方面的研究。向红军课题组从事计算凝聚态物理，侧重于计算方法（包括机器学习方法）发展和程序开发等方面的研究。

文章信息：

Moiré-Induced Magnetoelectricity in Twisted Bilayer NiI₂, Haiyan Zhu, Hongyu Yu, Weiqin Zhu, Guoliang Yu, Changsong Xu†, and Hongjun Xiang†, Phys. Rev. Lett. 135, 196701 (2025).

https://doi.org/10.1103/p6n8-n1rx

图 1. 无扭转时双层 NiI₂的堆垛依赖性质。

图 2. 转角双层 NiI₂弛豫后的结构变化及其诱导的极化分布。

图 3. 不同转角下双层 NiI₂的自旋构型，基于 SpinGNN++ 的自旋–晶格动力学模拟获得。

图 4. 转角为 2.13° 时双层 NiI₂的自旋与自旋序诱导铁电极化分布图案。