颠覆未来的磁电多铁材料
30 December 2016
PSI研究员 Mickal Morin和Marisa Medarde冻结了多铁性材料YBaCuFeO5的原子排列。首先将该材料在烘箱中加热至1000℃，然后丢入充满液氮的温度为-200℃的容器中。
瑞士Paul Scherrer研究所（PSI）的研究人员开发了一种新材料，该材料可用于制备未来数据存储设备，从而使该设备需要消耗的能量比现在的硬盘驱动器低得多。该材料是一种磁电多铁性材料，其区别特征在于它们的磁性能和电性能彼此耦合。
多亏了这种耦合，从而有望通过高能效电场来写磁位，允许这类材料作为未来计算机存储器的基础材料。这种新开发的多铁性材料的优点在于即使在室温下，它也可以表现出必要的磁性，而不是像迄今为止的大多数磁电多铁性材料需要冷却到极低的温度（约-200°C）才能表现出磁性。PSI的研究人员在Nature Communications报道了他们的新成果。
在磁电多铁性材料中，磁性和电性能彼此耦合，可以通过施加电场来控制磁性，而电场比磁场更容易和有效地产生。“当电磁场施加到磁电多铁性材料时，它对材料的电性能有影响”该论文的主要作者Marisa Medarde解释道，“通过磁电耦合，您可以轻易地改变磁性”。
当今的计算机硬盘驱动器是通过施加磁场写入磁位的形式来存储数据。相比之下，基于多铁性材料的存储介质将具有一些优点。磁存储可以通过施加电场来实现，且需要的能量更少，设备将产生更少的废热，更低的冷却需求，从而减少风扇和空调的使用。考虑到云计算每年消耗数万亿千瓦时的电力，因此在这方面的节约将显得非常重要。
研究人员通过精准控制化学成分和精确的生产工艺来提取新材料。他们最终发现，具有化学式YBaCuFeO5的材料如果加热到高温，然后经受极快的冷却，则成为有效的磁电多铁。“在高温下，原子自主排列对我们实现想法极其有用。”Medarde解释说，“快速冷却可以让原子以适当的方式按一定的排列顺序被冻结住。”
快速冷却的基本方法（也称为淬火），在特别硬的金属的制造中被人们所熟悉，这种方法已经使用了几个世纪，例如在回火钢宝剑的应用。然而PSI的研究人员
施加更极端的温度。他们首先将材料加热至1000℃，然后突然快速冷却至-200℃。从冷却浴中取出该材料后，当温度恢复到室温时它仍保持其特定的磁性。
PSI开发合成方法和性能优化方法，生产了该材料，并在两个大型研究所瑞士散裂中子源（SINQ）和瑞士光源（SLS）进行分析。“我们的新材料不含昂贵的成分。”Medarde说，“而且现在我们已经确定了该生产方法的细节，使其变得容易实施”。
新材料的性质归因于在原子水平上存在所谓的磁性螺旋，这些微小的螺旋负责磁性和铁电性的耦合。在大多数材料中，当材料温度高于-200°C时磁性螺旋将会消失。 PSI研究人员发现，他们发明了一种在室温下磁性螺旋保持稳定的材料。“即使在30°C，磁性螺旋依然存在。”Medarde说。
该材料YBaCuFeO5不是全新的，实际上在1988年它已经第一次被合成。但是PSI研究人员的特殊制造工艺精确地布置铁和铜原子，使得材料获得完全新的性能。YBaCuFeO5与钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O6 x）紧密相关，钇钡铜氧化物是在1987年发现的一组超导体，其在超高温下保持超导性能。
延伸阅读
磁电多铁是铁磁性和铁电性同时发生在同一相的材料，允许铁磁性和铁电相发生耦合。
半导体衬底上集成多铁性材料可制备先进设备重要部分的集成：1）磁性和2）铁电体。
大多数已知的单相磁电材料大部分没有表现出强烈的磁电耦合。但大的磁电效应已在复合材料层板和最新的纳米材料中被发现。
发展这些人工多层磁电材料的纳米结构，从而增加纳米器件的先进功能是研究的重点。这需要多学科的知识，包括理论建模，详细的纳米结构薄膜/纳米线形成过程中磁电结构的磁电测量。
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