二维材料首现奇异“多铁性”状态,有助开发更小、更快、更高效数据存储设备

科技日报实习记者张佳欣美国麻省理工学院物理学家在单原子薄材料中发现了一种奇异的“多铁性”状态。他们的观察首次证实了多铁性可存在于完美的二维材料中。发表在最新一期《自然》杂志上的这一发现,为开发更小、更快、更高效的数据存储设备铺平…

科技日报实习记者 张佳欣

美国麻省理工学院物理学家在单原子薄材料中发现了一种奇异的“多铁性”状态。他们的观察首次证实了多铁性可存在于完美的二维材料中。发表在最新一期《自然》杂志上的这一发现,为开发更小、更快、更高效的数据存储设备铺平了道路,这些设备由超薄的多铁性比特和其他新的纳米级结构组成。

研究作者、麻省理工学院物理学教授努格迪克称,二维材料就像乐高积木,不同组合会出现百变形状。“现在我们有了一个新的乐高积木:单层多铁体,它可与其他材料堆叠在一起,诱导出有趣的特性。”

实验证实,碘化镍在其二维形式中是多铁性的。更重要的是,这项研究首次证明了多铁有序可存在于二维中,这是构建纳米级多铁存储位的理想维度。

在材料科学中,“多铁性”指的是材料电子中任何属性在外场下的集体转换,如它们的电荷或磁自旋方向。材料可以表现为几种铁性状态中的一种。例如,铁磁材料是电子自旋集体沿着磁场方向排列的材料,就像向日葵向着太阳转一样。同样地,铁电材料由自动与电场对齐的电子电荷组成。

在大多数情况下,材料要么是铁电性的,要么是铁磁性的。它们很少能同时体现这两种状态。“这种组合非常罕见,”研究作者之一里卡多·科明教授说。“即使对整个元素周期表都不加限制,也不会有太多这样的多铁材料生产出来。”

但最近几年,科学家们在实验室里以奇特的耦合方式合成了表现出多铁性的材料,既表现为铁电体,又表现为铁磁体。电子的磁自旋不仅可受磁场影响,还可受电场影响。

这种耦合的多铁性状态令研究人员十分兴奋,因为它具有开发磁性数据存储设备的潜力。在传统的磁性硬盘驱动器中,数据被写入快速旋转的磁盘上,磁盘上刻有微小的磁性材料域。悬浮在磁盘上的一个小尖端会产生一个磁场,它可以共同将域的电子自旋切换到一个方向或另一个方向,以表示编码数据的基本“位”——“0”或“1”。

尖端的磁场通常是由电流产生的,这需要大量的能量,其中一些能量可能会以热的形式损失。除了硬盘过热外,电流产生磁场和切换磁位的速度也有限制。科明和努格迪克等物理学家认为,如果这些磁性比特可由多铁性材料制成,它们就可使用更快、更节能的电场而不是电流感应磁场来切换。如果使用电场,写入比特的过程将会快得多,因为在电路中可在几分之一纳秒内产生场,这可能比使用电流快数百倍。

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