为极快紧凑的计算机内存铺平道路

几十年来，科学家一直在研究一种名为多铁性的不寻常材料，这种材料可用于计算机内存、化学传感器和量子计算机等一系列应用。在《自然》杂志上发表的一项研究中，来自德克萨斯大学奥斯汀分校和马克斯普朗克物质结构与动力学研究所 (MPSD) 的研究人员证明，层状多铁性材料碘化镍 (NiI 2 ) 可能是迄今为止制造速度极快、结构紧凑的设备的最佳候选材料。

多铁材料具有一种称为磁电耦合的特殊性质，这意味着你可以用电场操纵材料的磁性，反之亦然，用磁场操纵材料的电性。研究人员发现 NiI 2 的磁电耦合比任何已知的同类材料都要大，这使其成为技术进步的主要候选材料。

“在原子级薄的碘化镍薄片尺度上揭示这些效应是一项艰巨的挑战，”德克萨斯大学物理学博士后研究员、该论文的共同第一作者 Frank Gao 说，“但我们的成功代表了多铁性领域的重大进步。”

该项目的另一位共同主要作者、研究生彭欣悦补充道：“我们的发现为包括磁存储器在内的极其快速且节能的磁电设备铺平了道路。”

电场和磁场是我们理解世界和现代技术的基础。在材料内部，电荷和原子磁矩可以自行排序，使其性质相加，形成电极化或磁化。这类材料被称为铁电体或铁磁体，具体取决于这些量中的哪一个处于有序状态。

然而，在多铁性奇异材料中，这种电磁序共存。磁序和电序可以纠缠在一起，以至于一个的变化会导致另一个的变化。这种称为磁电耦合的特性使这些材料成为更快、更小、更高效的设备的诱人候选者。为了使此类设备有效工作，找到具有特别强磁电耦合的材料非常重要，正如研究小组在研究中对 NiI 2所做的那样。

研究人员通过飞秒范围(十亿分之一秒的百万分之一)的超短激光脉冲激发材料，然后通过它们对特定光学特性的影响跟踪材料电磁序和磁电耦合的变化，从而实现了这一目标。

为了了解为什么 NiI 2中的磁电耦合比类似材料强得多，研究小组进行了大量的计算。

“有两个因素在这里发挥着重要作用，”MPSD 的合著者埃米尔·维纳斯·博斯特罗姆 (Emil Viñas Boström) 说。“其中之一是碘原子上电子自旋和轨道运动之间的强耦合——这是一种称为自旋轨道耦合的相对论效应。第二个因素是碘化镍中磁序的特殊形式，称为自旋螺旋或自旋螺旋。这种排序对于启动铁电序和磁电耦合强度都至关重要。”

研究人员表示，像 NiI 2这样具有大磁电耦合的材料具有广泛的潜在应用。这些应用包括紧凑、节能且存储和检索速度比现有内存快得多的磁性计算机内存;量子计算平台中的互连;以及可以确保化学和制药行业质量控制和药物安全的化学传感器。

研究人员希望这些突破性的见解可用于识别具有类似磁电特性的其他材料，并且其他材料工程技术可能进一步增强 NiI 2中的磁电耦合。

这项工作由德克萨斯大学物理学助理教授 Edoardo Baldini 和 MPSD 主任 Angel Rubio 构思和指导。

该论文的其他 UT 作者包括 Dong Seob Kim 和 Xiaoqin Li。MPSD 的其他作者包括 Xinle Cheng 和 Peizhe Tang。其他作者包括中央研究院的 Ravish K. Jain、Deepak Vishnu、Kalaivanan Raju、Raman Sankar 和 Shang-Fan Lee;不来梅大学的 Michael A. Sentef;以及加州理工学院的 Takashi Kurumaji。

这项研究的资金由罗伯特·A·韦尔奇基金会、美国国家科学基金会、美国空科学研究办公室、欧盟“地平线欧洲”研究与创新计划、卓越集群“CUI：物质高级成像”、Grupos Consolidados、马克斯·普朗克-纽约市非平衡量子现象中心、西蒙斯基金会和科技部提供。

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