TBSI刘碧录、成会明团队与曼彻斯特大学安德烈•盖姆团队合作在Nat Commun发文：二维材料的巨磁光克顿-穆顿及磁致变色效应

引言

以传统有机液晶为代表的双折射液体因具有极大的电光科尔效应（Δn=KλE²，Δn为双折射率，λ为波长，K为电光科尔系数，E为电场强度）而被广泛应用于各种光电器件中，如液晶显示、调色器、智能门窗等。相比于电驱动，磁驱动具有一系列独特的优势，如与材料无接触、场区均匀、对材料无破坏及零能耗等。然而相较于有机液晶的电光科尔效应，大多数传统的双折射液体，其磁光克顿-穆顿效应（Δn=C_CMλB²，C_CM为磁光克顿-穆顿系数，B为磁场强度）十分微弱，所需磁场驱动较高，通常需达到几个特斯拉的强度，而该强度只能由成本高昂、高能耗、体积巨大的超导磁体才能提供，无法满足实用化的需求。另一方面，基于铁流体的双折射液体，因其具有超灵敏的磁响应而被发现具有巨磁光克顿-穆顿效应，有望满足低磁场驱动液晶的基本需求，然而铁流体颗粒对可见光的吸收十分强烈，极大地限制了光程。考虑到偏振光相位差的产生是由双折射率和光程的乘积所共同决定的，高光学吸收将导致了铁流体双折射液体无法实现针对偏振光的大相位调制。因此，开发一种兼具高透明和大磁光克顿-穆顿效应的双折射液体，是实现液晶光调制功能从电场驱动迈向磁场驱动的前提。

成果简介

2020年7月24日，清华-伯克利深圳学院刘碧录、成会明团队与英国曼彻斯特大学诺贝尔物理奖得主Andre Geim教授团队合作在国际顶刊Nature Communications期刊上在线发表了题为“Giant magneto-birefringence effect and tuneable colouration of 2D crystal suspensions”的研究论文。

丁宝福等人针对上述挑战，在该研究中，提出了以磁性元素钴掺杂的二维钛氧化物做双折射液体的活性材料。所采用的二维材料几何各向异性比（横向尺寸除以厚度）大于10³，高出棒状液晶和一维材料液晶一到两个数量级，由此带来了高双折射率和高各向异性的磁化率。基于该材料体系，所制备的分散液呈现了巨磁致双折射效应。在0 ~ 0.2 T的磁场驱动范围内，双折射率与磁场强度的平方呈现了完美的线性关系，证实了磁光克顿-穆顿效应（Δn=C_CMλB²）的存在。通过对该线性区间的拟合，得到了C_CM值为1400 T^-2m^-1，高出其他透明低维材料液晶近两到三个量级。其中所述的0.2 T磁场完全可以由两个纽扣大小的永磁体提供，有望全面发挥引言所述磁驱动的优势。同时，本研究还从理论上阐释了可调制透明干涉色出现的光学基础是双折射液体对偏振光的相位差调制需达到3π以上。本研究中的二维晶体分散液因同时具有高透光率及巨磁致双折射效应，故而在较低磁场下（<0.8 T），实现了对偏振光的大相位调制（8π）。因此，在实验上观察到了与磁场一一对应的透射干涉色现象。值得注意的是，这是研究人员首次观察到透射干涉色的磁调控现象，为将来透射式颜色领域的诸多新应用打开了大门，如可视化磁传感、透明彩色打印、磁调控滤色膜等。此外该工作加深了研究人员对磁光克顿-穆顿效应机理的认识，在拓展二维材料在光学调制、生物医学、探测监测等领域的应用方面具有一定的指导意义。

论文共同第一作者为清华-伯克利深圳学院研究科学家丁宝福博士、曼彻斯特大学博士生邝文俊，论文共同通讯作者为刘碧录副教授、成会明教授及安德烈•盖姆教授。论文作者还包括潘意坤及英国曼彻斯特大学Irina Grigorieva教授。该研究由国家自然科学基金委以及深圳市工信局、科创委和发改委等部门支持。

图文导读

图1. 二维磁性材料水性悬浮液中的透射式磁致变色现象。 a)磁光效应测量示意图。b）装有0.02 vol％二维材料悬浮液的比色皿的真实图片。 左：无偏振器/检偏器； 右：有正交偏振片并在非均匀磁场区。 c）均匀磁场中二维材料悬浮液颜色与磁场的一一对应关系。

图2. 悬浮液中磁性二维材料在磁场作用下的排列状态。a）透射式干涉色产生机理示意图。 b）磁场作用下，二维材料悬浮液的光透射率与入射光方向的依赖关系。

图3. 正交偏振片下二维材料分散液的磁致透射式干涉色量化表征及理论拟合a）归一化的透射谱随磁场的关系。 b）相长干涉波长λ_c随磁场红移（对应于透射率最大值）。 c）理论拟合透射谱随磁场的关系。 d）CIE xy 1931颜色空间中色坐标随磁场的演变。

图4 磁性二维材料悬浮液的磁致双折射效应分析。 a）单色透射光强随磁场的震荡关系。b）双折射的色散关系。c）低场范围0- 0.2 T中的双折射及相位差随磁场平方的线性关系。

原文链接：

文章链接：Baofu Ding^†, Wenjun Kuang^†, Yikun Pan, I. V. Grigorieva, A. K. Geim^*, Bilu Liu^* & Hui-Ming Cheng^*, Giant magneto-birefringence effect and tuneable colouration of 2D crystal suspensions, Nature Communications, 2020, 11, 3725.

网址链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17589-4

本文由作者团队供稿。