太空是电子系统最严苛的试炼场。强辐射、高能粒子、极端温差，都可能导致通信芯片失效、任务中断。传统解决路径，如增加屏蔽层或使用冗余加固电路，虽然有效，却也带来了能耗高、体积大等限制。

1月29日，国际顶尖学术期刊《自然》同时上线了复旦大学两项重大科研成果，其中集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院的周鹏教授与马顺利副教授团队研制的“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统，凭借其“超长寿命”与“超低功耗”两大核心优势，在国际上首次实现了基于二维电子器件与系统的在轨验证，为深空探测、高轨卫星、星际通信等前沿空间任务提供了强有力的技术支撑。

原子层半导体的太空首秀

“青鸟”系统依托“复旦一号（澜湄未来星）”卫星平台，成功在距地球约517公里的低地球轨道（LEO）上完成了在轨验证。

这一系统采用了基于单层二硫化钼（MoS2）的4英寸晶圆级抗辐射集成射频发射机-接收机，展现了卓越的抗辐射性能和长期稳定性。在轨运行9个月后，其传输数据的误码率仍低于10^-8，彰显了其在实际太空环境中的优异表现。

4英寸原子层半导体抗辐射射频通信芯片。本文图片均为复旦大学供图

尤为引人注目的是，即使在辐射环境更为恶劣的地球同步轨道（GEO）上，“青鸟”系统的理论在轨寿命预计可达271年，较传统硅基系统提升两个数量级。同时，其发射机-接收机链路的功耗不足传统硅基射频系统的五分之一，显著降低了对星上能源的需求，确保了在严苛功率预算下仍能维持高性能通信。

超长寿命与超低功耗

“青鸟”系统的成功，得益于团队对粒子辐射效应的深入研究和理论推导。研究发现，原子层级薄的材料在理论上会积累最小的辐射诱导损伤，进而达成空间辐射免疫。

"我们想得更彻底一些，能不能从材料本身出发，寻找一种天然就不怕辐射的方案？"研究团队负责人回忆起最初的动机。他们重新推导辐射粒子在半导体中的作用路径，发现：粒子引发的辐射损伤与材料厚度密切相关，越薄的材料，损伤累积越少。

基于这一发现，团队设计了基于原子层半导体的抗辐射射频通信系统，不仅解决了传统抗辐射方案中体积增大、重量上升、功耗攀升等难题，还实现了小尺寸、超低功耗与本征抗辐射能力的完美结合。

“青鸟”系统的超长寿命和超低功耗，使其在深空探测、高轨卫星等长周期、能源受限的任务中具有独特竞争力。例如，在深空探测任务中，通信系统的稳定性和耐久性至关重要，而“青鸟”系统正好满足了这一需求，为未来的星际通信提供了可靠的技术保障。

从理论到实践的跨越

“青鸟”系统的研制历时数年，团队克服了重重困难，实现了从材料选择、元器件制作、电路设计到联合调试等全链条的自研。特别是在缺乏成熟设计工具的情况下，团队自主开发了一套面向二维器件的设计工具，填补了国内在该领域的空白。

"传统材料像一块木板，粒子击中后会留下许多'伤痕'；而原子层半导体则像蝉翼，粒子能直接穿过，不容易造成破坏。"团队成员用这个形象的比喻解释"空间辐射免疫"的原理。

2024年9月24日，“复旦一号（澜湄未来星）”卫星成功发射，为“青鸟”系统的在轨验证提供了宝贵机会。团队将“复旦大学校歌”的原始手稿照片存入系统存储器中，并完成了以“复旦大学校歌”为信号的太空星内通信传输。当卫星天线将信号发回地面站并成功解码后，“复旦大学校歌”的信号复原准确无误，这一刻，团队的努力得到了最好的回报。

"那一刻，我们激动得说不出话来，就像1970年人们第一次听到'东方红一号'传回的《东方红》那样。"团队负责人说，"这不仅是技术上的成就感，更是一种精神传承。"

“青鸟”系统的成功，不仅标志着人类向构建高可靠、轻量化太空电子系统迈出了关键一步，更有望成为二维材料从实验室走向航天高价值应用的“催化剂”。团队表示，下一步将推动该技术的产业化应用，与产业界对接，建立完整的制造链条，实现规模化生产。

此外，团队还在探索将原子层半导体技术应用于太空计算系统，特别是图像处理、数据压缩等低功耗边缘计算任务，让“算力上天”成为可能。随着人工智能算力需求的快速攀升，这一技术有望在太空探索中发挥更大作用。

同日《自然》发文：复旦大学两项成果闪耀国际舞台

值得一提的是，1月29日凌晨，复旦大学两支科研团队的成果在《自然》同期发表。除"青鸟"系统外，另一项成果是复旦大学应用表面物理全国重点实验室吴施伟、袁喆研究团队关于低维反铁磁"集体舞蹈"的研究，题为《斯通纳-沃尔法思反铁磁体的铁磁型双稳态翻转》（“Ferromagnet-like binary switching of a Stoner–Wohlfarth antiferromagnet”）。

此项研究报道了一类特殊的低维反铁磁体系能够在外磁场下像铁磁体一样展现出确定性的双稳态整体切换。团队成员利用自主开发的多模态磁光显微技术成功捕捉到这一现象，并完善经典的磁学理论框架用以描述其背后的物理机制。该工作揭示了低维层间反铁磁体磁化翻转的关键因素与独特效应，推动反铁磁材料研究迈出从“有趣而无用”到“可读可写”的关键一步，为开发新一代低功耗、高速运算芯片提供了新路径。

如何探测二维层间反铁磁性，也面临诸多技术瓶颈与实验挑战。传统实验方法难以适用于表征仅原子级厚度、微米级横向尺寸的层状反铁磁材料，国际上也长期缺乏有效的实验研究平台。对此，复旦大学物理学系教授吴施伟领衔的实验团队基于多年的技术积淀，设计并成功研制了具有自主知识产权的无液氦多模态磁光显微系统。

二维层间反铁磁的两类磁化翻转行为

同为层间反铁磁体，为何存在两种截然不同的磁翻转行为？这个问题的答案，需要深入到磁性的微观相互作用中去寻找。由复旦大学理论物理与信息科学交叉中心教授袁喆领衔的理论团队，为该工作的实验现象提供了坚实而优美的理论框架。

团队提出了“层共享效应”，博士生王占山解释，其如同“多米诺骨牌”现象，随后材料中极强的层内交换作用驱动着后续的横向畴壁传播，最终触发偶数层区域的集体翻转。

低维反铁磁的“集体舞蹈”：二维层间反铁磁体的“层共享效应”

该工作中基于光学二次谐波的非线性磁光显微表征技术，在深入探索低维磁性的奇异物性与新颖现象上表现出巨大价值与潜力，为未来低维磁性材料集成到自旋电子学以及光电子领域中开辟了新的途径。

吴施伟、袁喆为该工作的共同通讯作者。复旦大学博士生王占山、相怡宁为该工作的共同第一作者。复旦大学刘韡韬教授、孙泽元助理教授等共同参与研究讨论，余伟超青年研究员共同参与理论计算。上海科技大学米启兮教授和柳仲楷教授课题组为该工作提供了高质量CrSBr晶体。中国人民大学雷和畅教授课题组为该工作提供了高质量CrI3晶体。复旦大学张远波教授和阮威青年研究员课题组为该工作提供了高质量MnBi2Te4样品。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、上海市科委和上海市教委等的支持。

"青鸟"系统与低维反铁磁研究的同日发表，标志着复旦大学在原子层半导体与低维磁性材料两个前沿领域的突破性进展，展示了中国在基础科学研究与应用创新方面的综合实力。

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