科技日報實習記者 張佳欣
美國麻省理工學院物理學家在單原子薄材料中發現了一種奇異的“多鐵性”狀態。他們的觀察首次證實了多鐵性可存在于完美的二維材料中。發表在最新一期《自然》雜志上的這一發現，為開發更小、更快、更高效的數據存儲設備鋪平了道路，這些設備由超薄的多鐵性比特和其他新的納米級結構組成。
研究作者、麻省理工學院物理學教授努格迪克稱，二維材料就像樂高積木，不同組合會出現百變形狀。“現在我們有了一個新的樂高積木：單層多鐵體，它可與其他材料堆疊在一起，誘導出有趣的特性。”
實驗證實，碘化鎳在其二維形式中是多鐵性的。更重要的是，這項研究首次證明了多鐵有序可存在于二維中，這是構建納米級多鐵存儲位的理想維度。
在材料科學中，“多鐵性”指的是材料電子中任何屬性在外場下的集體轉換，如它們的電荷或磁自旋方向。材料可以表現為幾種鐵性狀態中的一種。例如，鐵磁材料是電子自旋集體沿著磁場方向排列的材料，就像向日葵向著太陽轉一樣。同樣地，鐵電材料由自動與電場對齊的電子電荷組成。
在大多數情況下，材料要么是鐵電性的，要么是鐵磁性的。它們很少能同時體現這兩種狀態。“這種組合非常罕見，”研究作者之一里卡多·科明教授說。“即使對整個元素周期表都不加限制，也不會有太多這樣的多鐵材料生產出來。”
但最近幾年，科學家們在實驗室里以奇特的耦合方式合成了表現出多鐵性的材料，既表現為鐵電體，又表現為鐵磁體。電子的磁自旋不僅可受磁場影響，還可受電場影響。
這種耦合的多鐵性狀態令研究人員十分興奮，因為它具有開發磁性數據存儲設備的潛力。在傳統的磁性硬盤驅動器中，數據被寫入快速旋轉的磁盤上，磁盤上刻有微小的磁性材料域。懸浮在磁盤上的一個小尖端會產生一個磁場，它可以共同將域的電子自旋切換到一個方向或另一個方向，以表示編碼數據的基本“位”——“0”或“1”。
尖端的磁場通常是由電流產生的，這需要大量的能量，其中一些能量可能會以熱的形式損失。除了硬盤過熱外，電流產生磁場和切換磁位的速度也有限制。科明和努格迪克等物理學家認為，如果這些磁性比特可由多鐵性材料制成，它們就可使用更快、更節能的電場而不是電流感應磁場來切換。如果使用電場，寫入比特的過程將會快得多，因為在電路中可在幾分之一納秒內產生場，這可能比使用電流快數百倍。
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