二维材料的第一个奇怪的“多重铁性”状态

美国麻省理工学院的物理学家在单原子薄材料中发现了一种奇怪的“多铁性”状态。他们的观测首次证明了多重铁性可以存在于完美的二维材料中。这一发现发表在最新一期的《自然》杂志上，为开发更小、更快、更高效的数据存储设备铺平了道路，这些设备由超薄多铁性比特和其他新的纳米级结构组成。

作者Nu Gadicke是麻省理工学院的物理学教授，他说二维材料就像乐高积木，不同的组合会出现各种形状。“现在我们有了一个新的乐高积木：单层多铁体，可以和其他材料叠加，诱发有趣的特性。”

实验表明，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性有序可以在二维空间存在，这是构建纳米级多铁性存储比特的理想维度。

在材料科学中，“多铁性”是指材料的电子在外场下的任何性质的集体转变，例如它们的电荷或磁自旋方向。这种材料可以表现出几种亚铁状态中的一种。比如铁磁材料就是电子自旋群沿着磁场方向排列的材料，就像向日葵向着太阳一样。类似地，铁电材料由自动与电场对齐的电荷组成。

在大多数情况下，材料不是铁电的就是铁磁的。他们很少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。“即使整个元素周期表没有限制，也不会产生太多这样的多铁性材料。”

但近年来，科学家在实验室中以奇特的耦合方式合成了多铁性材料，它们既是铁电体，又是铁磁体。电子的磁自旋不仅受磁场的影响，还受电场的影响。

这种耦合的多重铁性状态令研究人员非常兴奋，因为它有潜力开发磁性数据存储设备。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场。漂浮在磁盘上的一个小尖端会产生一个磁场，它可以共同将磁畴的电子自旋切换到一个方向或另一个方向，以代表编码数据的基本“位”——“0”或“1”。

尖端磁场通常由电流产生，这需要大量的能量，其中一些可能以热的形式损失掉。除了硬盘过热，电流和磁位切换产生的磁场速度也受到限制。柯明和努加迪克等物理学家认为，如果这些磁性比特可以由多铁性材料制成，那么它们可以通过更快、更节能的电场而不是电流感应磁场进行开关。如果使用电场，写入比特的过程会快得多，因为在几分之一纳秒内就可以在电路中产生一个场，这可能比使用电流快几百倍。