在現(xiàn)今高速發(fā)展的社會(huì)，信息存儲(chǔ)對(duì)人類的重要性不言而喻。信息存儲(chǔ)記錄了這個(gè)社會(huì)的發(fā)展，幫助人們更好地了解這個(gè)世界并推動(dòng)它的發(fā)展。在我們的印象中，紙張似乎是信息存儲(chǔ)的開(kāi)始。然而在信息載體出現(xiàn)之前，大腦才是最強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)器。而后出現(xiàn)了用于信息存儲(chǔ)的工具——龜甲、竹片和紙張等。當(dāng)時(shí)間流淌到近代，錄音磁帶的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)的存儲(chǔ)，這也標(biāo)志著磁性存儲(chǔ)時(shí)代的開(kāi)始。

　　二十一世紀(jì)初，諾基亞成為移動(dòng)手機(jī)的巔峰王者，MP3是年輕人的最愛(ài)，筆記本電腦是商務(wù)人士的標(biāo)配，4G通信技術(shù)還沒(méi)有投入使用，百度云尚未出生，光驅(qū)還是信息存儲(chǔ)的中流砥柱。那時(shí)的移動(dòng)和固定存儲(chǔ)設(shè)備，主流是機(jī)械硬盤和小容量的U盤，一臺(tái)幾百GB的電腦和一個(gè)8GB的U盤，就足夠滿足人們的日常工作生活需求。

　　圖1 各類電子信息存儲(chǔ)設(shè)備 （圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)） 

　　硬盤的信息存儲(chǔ)與讀取 

　　在電子信息存儲(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)飛漲的現(xiàn)今，你是否好奇過(guò)這些通信設(shè)備是如何存儲(chǔ)信息的呢？

　　以計(jì)算機(jī)硬盤為例，首先需要了解硬盤的大致結(jié)構(gòu)組成。封閉的硬盤內(nèi)部包含若干個(gè)磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成數(shù)量相同的多個(gè)磁道，并從外緣“0”開(kāi)始編號(hào)，具有相同編號(hào)的磁道形成一個(gè)圓柱，即為柱面。而每個(gè)磁道又被劃分為若干個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)規(guī)定是512個(gè)字節(jié)，因此，通常硬盤的存儲(chǔ)容量=盤面數(shù)×柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×512字節(jié)。

　　圖2 硬盤的內(nèi)部構(gòu)架 （圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)） 

　　硬盤進(jìn)行信息的存儲(chǔ)與讀取的關(guān)鍵材料是磁盤片上的磁涂層。磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細(xì)小的磁顆粒組成，若干個(gè)磁顆粒組成一個(gè)記錄單元來(lái)記錄1比特（bit）信息，即0或1。

　　而信息存儲(chǔ)與讀取的基本原理是物理學(xué)中的電磁感應(yīng)。奧斯特發(fā)現(xiàn)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)；隨后法拉第發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化時(shí)，閉合回路會(huì)產(chǎn)生電流。

　　磁盤片的每個(gè)磁盤面都相應(yīng)有一個(gè)磁頭。磁盤寫(xiě)入時(shí)，電流通過(guò)磁頭而產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)將改變磁盤各個(gè)區(qū)域中組成磁涂層的磁顆粒的磁化方向。當(dāng)給磁頭施加不同的電流方向時(shí)，使磁盤局部產(chǎn)生不同的磁極，產(chǎn)生的磁極在未受到外部磁場(chǎng)干擾下是不會(huì)改變的，這樣便將輸入數(shù)據(jù)時(shí)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為磁信號(hào)持久化到磁盤上。在磁盤讀取時(shí)，磁頭就相當(dāng)于一個(gè)探測(cè)器，其“掃描”過(guò)磁盤面的各個(gè)區(qū)域時(shí)，各個(gè)區(qū)域中磁顆粒的不同磁化方向被感應(yīng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)的變化進(jìn)而被表達(dá)為“0”和“1”，成為所有數(shù)據(jù)的原始譯碼。通過(guò)這種雙向的電磁感應(yīng)作用便完成了磁盤數(shù)據(jù)的記錄和讀取。

　　圖3 磁盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)） 

　　由此可見(jiàn)，若想增加硬盤的存儲(chǔ)容量，似乎需要增加磁盤片。可是近年來(lái)硬盤的趨勢(shì)是小型化，要求存儲(chǔ)設(shè)備在體積變小的同時(shí)，容量還要不斷增大。這又是如何辦到的？這是因?yàn)槊總€(gè)磁盤片上存儲(chǔ)信息的區(qū)域變小，存儲(chǔ)密度變大。但由此導(dǎo)致磁信號(hào)也隨之變?nèi)趿恕?/p>

　　高密度的磁存儲(chǔ)——巨磁阻效應(yīng) 

　　此時(shí)，基于巨磁阻效應(yīng)（GMR）的讀出磁頭應(yīng)運(yùn)而生。巨磁阻效應(yīng)可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層中觀察到。即使在很弱的外加磁場(chǎng)下，這種結(jié)構(gòu)物質(zhì)的電阻值也可以產(chǎn)生很大的變化量。外加磁場(chǎng)的變化會(huì)改變兩鐵磁層的相對(duì)磁化強(qiáng)度取向平行或反平行。當(dāng)兩鐵磁層的磁化取向相同（平行）時(shí)，通過(guò)的電流大電阻小；當(dāng)兩鐵磁層的磁化取向相反（反平行）時(shí)，通過(guò)的電流小電阻變大。這二種不同的磁化狀態(tài)下的電阻變化可高達(dá)到10⁶，因此被稱為巨磁阻效應(yīng)。

　　當(dāng)巨磁阻效應(yīng)應(yīng)用于磁存儲(chǔ)設(shè)備的高密度讀出磁頭時(shí)，即使是非常微弱的磁場(chǎng)，也可以引起足夠的電流變化以便識(shí)別數(shù)據(jù)，從而大幅度提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的密度，使存儲(chǔ)單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大大減少。因此，巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者也獲得了2007年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　多種“鐵性”的耦合——“多鐵性材料” 

　　巨磁阻效應(yīng)關(guān)鍵之一是鐵磁性材料。而鐵磁性僅僅是多種“鐵性”之一。這里“鐵性”就是“鐵的基本性質(zhì)”，包括我們常常聽(tīng)到的“鐵電性”、“鐵磁性”、“鐵彈性”等性能。如果一個(gè)材料同時(shí)具備其中的兩種或者多種性能的“鐵性”，這時(shí)它便成了“多鐵性材料”。

　　圖4 鐵電性、鐵磁性與鐵彈性之間的關(guān)系 

　　多鐵性材料是具有鐵電性、（反）鐵磁性、鐵彈性等兩種或兩種以上“鐵性”而有序共存，并由于多種序參量之間的相互耦合作用產(chǎn)生新的效應(yīng)的新型材料。概括上講，一些材料可以隨外場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)和應(yīng)力）翻轉(zhuǎn)而分別發(fā)生自發(fā)極化、自發(fā)磁矩或自發(fā)應(yīng)變，并呈現(xiàn)非線性關(guān)系而出現(xiàn)電滯回線、磁滯回線或鐵彈回線，這樣相應(yīng)的物質(zhì)稱為鐵電體、鐵磁體和鐵彈體。三者可統(tǒng)稱為鐵性體。

　　分別具體上講，某些具有非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)材料在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化（正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移），而自發(fā)極化方向可隨外加電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的性質(zhì)稱為鐵電性；而某些材料在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)磁化，且在很小的磁場(chǎng)下就能磁化到飽和，這類材料具有的磁性稱為鐵磁性；某些電介質(zhì)材料在一定溫度范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線并非線性，而呈現(xiàn)與鐵磁體的磁滯回線及鐵電體的電滯回線相似特征的現(xiàn)象，這種材料則具備鐵彈性。從經(jīng)典電磁學(xué)的角度，磁場(chǎng)不會(huì)改變鐵電性（電極化方向），而電場(chǎng)也不會(huì)改變鐵磁性（電子自旋）。但從量子物理的角度出發(fā)，鐵電與鐵磁耦合將會(huì)產(chǎn)生磁電效應(yīng)，即磁場(chǎng)可以控制材料的電極化，或者電場(chǎng)調(diào)控材料的磁性。

　　圖5 多鐵材料磁電效應(yīng)示意圖 

　　信息存儲(chǔ)的關(guān)鍵——多鐵隧道結(jié) 

　　近年來(lái)，5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新型通信技術(shù)和IT技術(shù)的迅速發(fā)展產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的膨脹速度比存儲(chǔ)器容量的增大速度快，而目前存儲(chǔ)器的主流是上文提到的電流控制磁頭進(jìn)行信息的讀寫(xiě)。這會(huì)帶來(lái)相當(dāng)大的能耗問(wèn)題。而利用多鐵性材料的磁電效應(yīng)，即用電場(chǎng)替代電流調(diào)控磁場(chǎng)是最有希望解決能耗問(wèn)題的方案之一。多鐵隧道結(jié)（組成磁頭的關(guān)鍵材料）就是具有電場(chǎng)調(diào)控磁性功能性的存儲(chǔ)器原型器件之一，從而滿足人們對(duì)低功耗、高密度、快速讀寫(xiě)、大容量的非易失存儲(chǔ)器日趨緊迫的需求。

　　多鐵隧道結(jié)作為多鐵性材料應(yīng)用的典型代表，多為鐵磁/鐵電(多鐵)/鐵磁三明治結(jié)構(gòu)（如圖6），是發(fā)展新型信息存儲(chǔ)器的重要方向之一。兩端的鐵磁電極（FM）的磁化方向受磁場(chǎng)控制，而中間的鐵電電極（FE）的極化方向受電場(chǎng)控制。由于多鐵隧道結(jié)同時(shí)具備磁性隧道結(jié)的TMR效應(yīng)和鐵電隧道結(jié)的TER效應(yīng)，因此，通過(guò)磁場(chǎng)和電場(chǎng)的控制可以達(dá)到四種不同的阻態(tài)。

　　TMR效應(yīng)（隧穿磁阻效應(yīng)）：鐵磁電極磁化方向平行時(shí)，隧道結(jié)呈低阻態(tài)。鐵磁電極磁化方向反平行時(shí)，隧道結(jié)呈高阻態(tài)。TER效應(yīng)（隧穿電致電阻效應(yīng)）：鐵電勢(shì)壘極化方向的改變，會(huì)使隧道結(jié)電阻發(fā)生變化，從而分別產(chǎn)生高低阻態(tài)。

　　這要?dú)w功于多鐵隧道結(jié)的鐵電/鐵磁界面磁電耦合效應(yīng)：在外加電場(chǎng)的作用下鐵電勢(shì)壘極化方向的改變，或是外加磁場(chǎng)作用下鐵磁電極磁化方向的改變都會(huì)影響隧道結(jié)的電阻，從而產(chǎn)生四種不同的電阻狀態(tài)。即這四種電阻狀態(tài)的存在取決于上下電極的磁化方向（平行或反平行以及鐵電勢(shì)壘的極化方向）。

　　圖6 鐵磁電極與鐵電勢(shì)壘組成的多鐵隧道結(jié)示意圖 

　　（FM：鐵磁電極，F(xiàn)E：鐵電電極） 

　　多鐵性材料又可分為單相多鐵性材料和復(fù)合多鐵性材料。對(duì)于單相多鐵性材料，其具有本征磁電效應(yīng)，但大多數(shù)的單相多鐵性材料的磁電耦合系數(shù)小，無(wú)法在室溫下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)，難以應(yīng)用化。鐵酸鉍是目前單相本征多鐵性材料中唯一在室溫下有望實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)的材料，其因豐富的物理內(nèi)涵和潛在的應(yīng)用價(jià)值而受到了廣泛的研究。而復(fù)合多鐵性材料則是通過(guò)鐵電相與鐵磁相的耦合產(chǎn)生磁電效應(yīng)。因此，探索并研究鐵電/鐵磁界面磁電耦合的各種物理機(jī)制，闡明各個(gè)機(jī)制之間的相互競(jìng)爭(zhēng)制約的關(guān)系相當(dāng)重要。

　　然而迄今為止報(bào)道的室溫多鐵隧道結(jié)非常有限，且在室溫下的磁電耦合效應(yīng)還不夠強(qiáng)，但是信息集成化存儲(chǔ)的發(fā)展依然需要多鐵性材料的領(lǐng)航。隨著“后浪科學(xué)家們”的不斷努力，也許在不遠(yuǎn)的未來(lái)，多鐵性材料領(lǐng)航的新型信息存儲(chǔ)器就會(huì)出現(xiàn)在每個(gè)人的電子設(shè)備中。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. Spaldin N A, Fiebig M. The Renaissance of Magnetoelectric Multiferroics[J]. Science, 2005, 309(5733): p.391-392.

　　2. 劉俊明.多鐵性:做出不可能[J].物理學(xué)進(jìn)展,2019,39(05):173-179.

　　3. Garcia V , Bibes M . Ferroelectric tunnel junctions for information storage and processing[J]. Nature Communications, 2014, 5.