國際頂尖學術期刊《自然》同時上線了復旦大學兩項重大科研成果……
太空是電子系統最嚴苛的試煉場。強輻射、高能粒子、極端溫差，都可能導致通信芯片失效、任務中斷。傳統解決路徑，如增加屏蔽層或使用冗余加固電路，雖然有效，卻也帶來了能耗高、體積大等限制。
1月29日，國際頂尖學術期刊《自然》同時上線了復旦大學兩項重大科研成果，其中集成芯片與系統全國重點實驗室、集成電路與微納電子創新學院的周鵬教授與馬順利副教授團隊研制的“青鳥”原子層半導體抗輻射射頻通信系統，憑借其“超長壽命”與“超低功耗”兩大核心優勢，在國際上首次實現了基于二維電子器件與系統的在軌驗證，為深空探測、高軌衛星、星際通信等前沿空間任務提供了強有力的技術支撐。
原子層半導體的太空首秀
“青鳥”系統依托“復旦一號（瀾湄未來星）”衛星平臺，成功在距地球約517公里的低地球軌道（LEO）上完成了在軌驗證。
這一系統采用了基于單層二硫化鉬（MoS2）的4英寸晶圓級抗輻射集成射頻發射機-接收機，展現了卓越的抗輻射性能和長期穩定性。在軌運行9個月后，其傳輸數據的誤碼率仍低于10^-8，彰顯了其在實際太空環境中的優異表現。
4英寸原子層半導體抗輻射射頻通信芯片。本文圖片均為復旦大學供圖
尤為引人注目的是，即使在輻射環境更為惡劣的地球同步軌道（GEO）上，“青鳥”系統的理論在軌壽命預計可達271年，較傳統硅基系統提升兩個數量級。同時，其發射機-接收機鏈路的功耗不足傳統硅基射頻系統的五分之一，顯著降低了對星上能源的需求，確保了在嚴苛功率預算下仍能維持高性能通信。
超長壽命與超低功耗
“青鳥”系統的成功，得益于團隊對粒子輻射效應的深入研究和理論推導。研究發現，原子層級薄的材料在理論上會積累最小的輻射誘導損傷，進而達成空間輻射免疫。
"我們想得更徹底一些，能不能從材料本身出發，尋找一種天然就不怕輻射的方案？"研究團隊負責人回憶起最初的動機。他們重新推導輻射粒子在半導體中的作用路徑，發現：粒子引發的輻射損傷與材料厚度密切相關，越薄的材料，損傷累積越少。
基于這一發現，團隊設計了基于原子層半導體的抗輻射射頻通信系統，不僅解決了傳統抗輻射方案中體積增大、重量上升、功耗攀升等難題，還實現了小尺寸、超低功耗與本征抗輻射能力的完美結合。
“青鳥”系統的超長壽命和超低功耗，使其在深空探測、高軌衛星等長周期、能源受限的任務中具有獨特競爭力。例如，在深空探測任務中，通信系統的穩定性和耐久性至關重要，而“青鳥”系統正好滿足了這一需求，為未來的星際通信提供了可靠的技術保障。
從理論到實踐的跨越
“青鳥”系統的研制歷時數年，團隊克服了重重困難，實現了從材料選擇、元器件制作、電路設計到聯合調試等全鏈條的自研。特別是在缺乏成熟設計工具的情況下，團隊自主開發了一套面向二維器件的設計工具，填補了國內在該領域的空白。
"傳統材料像一塊木板，粒子擊中后會留下許多'傷痕'；而原子層半導體則像蟬翼，粒子能直接穿過，不容易造成破壞。"團隊成員用這個形象的比喻解釋"空間輻射免疫"的原理。
2024年9月24日，“復旦一號（瀾湄未來星）”衛星成功發射，為“青鳥”系統的在軌驗證提供了寶貴機會。團隊將“復旦大學校歌”的原始手稿照片存入系統存儲器中，并完成了以“復旦大學校歌”為信號的太空星內通信傳輸。當衛星天線將信號發回地面站并成功解碼后，“復旦大學校歌”的信號復原準確無誤，這一刻，團隊的努力得到了最好的回報。
"那一刻，我們激動得說不出話來，就像1970年人們第一次聽到'東方紅一號'傳回的《東方紅》那樣。"團隊負責人說，"這不僅是技術上的成就感，更是一種精神傳承。"
“青鳥”系統的成功，不僅標志著人類向構建高可靠、輕量化太空電子系統邁出了關鍵一步，更有望成為二維材料從實驗室走向航天高價值應用的“催化劑”。團隊表示，下一步將推動該技術的產業化應用，與產業界對接，建立完整的制造鏈條，實現規模化生產。
此外，團隊還在探索將原子層半導體技術應用于太空計算系統，特別是圖像處理、數據壓縮等低功耗邊緣計算任務，讓“算力上天”成為可能。隨著人工智能算力需求的快速攀升，這一技術有望在太空探索中發揮更大作用。
同日《自然》發文：復旦大學兩項成果閃耀國際舞臺
值得一提的是，1月29日凌晨，復旦大學兩支科研團隊的成果在《自然》同期發表。除"青鳥"系統外，另一項成果是復旦大學應用表面物理全國重點實驗室吳施偉、袁喆研究團隊關于低維反鐵磁"集體舞蹈"的研究，題為《斯通納-沃爾法思反鐵磁體的鐵磁型雙穩態翻轉》（“Ferromagnet-like binary switching of a Stoner–Wohlfarth antiferromagnet”）。
此項研究報道了一類特殊的低維反鐵磁體系能夠在外磁場下像鐵磁體一樣展現出確定性的雙穩態整體切換。團隊成員利用自主開發的多模態磁光顯微技術成功捕捉到這一現象，并完善經典的磁學理論框架用以描述其背后的物理機制。該工作揭示了低維層間反鐵磁體磁化翻轉的關鍵因素與獨特效應，推動反鐵磁材料研究邁出從“有趣而無用”到“可讀可寫”的關鍵一步，為開發新一代低功耗、高速運算芯片提供了新路徑。
如何探測二維層間反鐵磁性，也面臨諸多技術瓶頸與實驗挑戰。傳統實驗方法難以適用于表征僅原子級厚度、微米級橫向尺寸的層狀反鐵磁材料，國際上也長期缺乏有效的實驗研究平臺。對此，復旦大學物理學系教授吳施偉領銜的實驗團隊基于多年的技術積淀，設計并成功研制了具有自主知識產權的無液氦多模態磁光顯微系統。
二維層間反鐵磁的兩類磁化翻轉行為
同為層間反鐵磁體，為何存在兩種截然不同的磁翻轉行為？這個問題的答案，需要深入到磁性的微觀相互作用中去尋找。由復旦大學理論物理與信息科學交叉中心教授袁喆領銜的理論團隊，為該工作的實驗現象提供了堅實而優美的理論框架。
團隊提出了“層共享效應”，博士生王占山解釋，其如同“多米諾骨牌”現象，隨后材料中極強的層內交換作用驅動著后續的橫向疇壁傳播，最終觸發偶數層區域的集體翻轉。
低維反鐵磁的“集體舞蹈”：二維層間反鐵磁體的“層共享效應”
該工作中基于光學二次諧波的非線性磁光顯微表征技術，在深入探索低維磁性的奇異物性與新穎現象上表現出巨大價值與潛力，為未來低維磁性材料集成到自旋電子學以及光電子領域中開辟了新的途徑。
吳施偉、袁喆為該工作的共同通訊作者。復旦大學博士生王占山、相怡寧為該工作的共同第一作者。復旦大學劉韡韜教授、孫澤元助理教授等共同參與研究討論，余偉超青年研究員共同參與理論計算。上海科技大學米啟兮教授和柳仲楷教授課題組為該工作提供了高質量CrSBr晶體。中國人民大學雷和暢教授課題組為該工作提供了高質量CrI3晶體。復旦大學張遠波教授和阮威青年研究員課題組為該工作提供了高質量MnBi2Te4樣品。該研究得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金、上海市科委和上海市教委等的支持。
"青鳥"系統與低維反鐵磁研究的同日發表，標志著復旦大學在原子層半導體與低維磁性材料兩個前沿領域的突破性進展，展示了中國在基礎科學研究與應用創新方面的綜合實力。
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