兼具多种性能的超级“磁铁”

文/翟万银
从指南针到发电机，铁磁材料被广泛应用于诸多领域；而在传感、驱动、信息存储等舞台上，铁电材料占据着重要地位。要是一种材料既有铁磁性又有铁电性，那就太有价值、太神奇了！长期以来，人们梦想着找到一种独特的技术，能制备出这样的材料，但结果表明，这可能只是异想天开。然而，现在不可思议的事情发生了：科学家合成出同时具有铁磁性和铁电性的材料—— 多铁序材料，而且，这种材料正在颠覆现有宇宙探索和癌症诊断等技术。
一个看似简单的问题
1820年4月的一个晚上，丹麦实验研究大师汉斯·克里斯蒂安·费斯特

       

                               
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文/翟万银

从指南针到发电机，铁磁材料被广泛应用于诸多领域；而在传感、驱动、信息存储等舞台上，铁电材料占据着重要地位。要是一种材料既有铁磁性又有铁电性，那就太有价值、太神奇了！长期以来，人们梦想着找到一种独特的技术，能制备出这样的材料，但结果表明，这可能只是异想天开。然而，现在不可思议的事情发生了：科学家合成出同时具有铁磁性和铁电性的材料—— 多铁序材料，而且，这种材料正在颠覆现有宇宙探索和癌症诊断等技术。
一个看似简单的问题
1820年4月的一个晚上，丹麦实验研究大师汉斯·克里斯蒂安·费斯特取得了非凡的发现。他将通电的导线靠近工作台上的指南针时，发现磁针会颤抖和“跳舞”。无论这是偶然发生的幸运事，还是令人振奋的有目的的实验，这一刻都奠定了费斯特的终身成就。他发现的既不是电现象，也不是磁现象，而是电-磁密不可分的现象。
费斯特或许没有想到，200多年后，这种电-磁关系推动了世界的运转。运动的磁场会产生电场，使水力发电机和风力发电机中转动的涡轮发电。反过来，流动的电流会产生磁场，磁共振成像仪、坐落于法国和瑞士边界的世界上最大的强子对撞机等粒子加速器、最新建成于成都的国际先进装置“人造太阳”磁约束核聚变反应堆等所使用的磁场，就是通过这种方式产生的。
变化的磁场会产生电场，变化的电场会产生磁场。人们可以把电场和磁场合在一台设备（如发电机或电动机）中，但不能合在单一的材料中。人们一直认为，不可能制备同时具有永久磁场和永久电场的单一材料。但1998年，美国耶鲁大学有位名叫尼古拉·斯波尔丁的研究人员提出了一个看似简单的问题：为什么不可能？
斯波尔丁说：“这个问题以前确实没人问过，或者说，以前从没人想过要问。”她这一问，振聋发聩，不仅改变了她个人的科研职业生涯，还引发了科学界的一场革命，更激发了20多年来人们对兼具电和磁这两种特性的神奇材料的探索热情。今天，这类名为“多铁序材料”的新型功能材料已经成为人们追求美好生活的得力帮手。其应用潜力巨大，从制造更好的太阳能电池和提高计算能力，到帮助搜索看不见、摸不着，仿佛遗失于茫茫宇宙中的物质（暗物质）。
现在，斯波尔丁在瑞士联邦理工学院从事研究工作，像猎人一样在茫茫宇宙中潜心搜索此类“失落”的物质。“我感兴趣的就是电子，我的激情亦如电子。”她说，“我喜欢整日思考它们。”对于多铁序材料领域的发展而言，这种思考是必要的，因为了解电子是理解多铁序材料为何具有重大价值的关键。
电子起关键作用
我们可以看到的所有实物都是由原子组成的，而原子又是由质子和中子形成的核，以及围绕原子核旋转的电子组成的。尽管电子很小，但它在决定材料的电性能和磁性能方面起着关键作用。
我们先来看看磁性能。所有电子都具有自旋的量子性质，我们可以把它看作指向两个方向之一的箭头。在大多数情况下，这些箭头是随机定向的，没有一个方向占主导地位。但在某些材料中，箭头暴露于外部磁场时就会朝着一个方向。如果所有箭头都以相同的方式对齐，材料将产生自己的磁场。
像铁这样的材料，在外部磁场的作用下被磁化后，即使外部磁场消失，它们依然能保持磁化的状态，具有磁性。这些材料就是铁磁体。铁磁体在日常生活中无处不在，指南针就是一个例子，冰箱外面贴的五颜六色、形状各异的冰箱贴里面也有铁磁体。
和铁磁体相比，大多数人对铁电体就没那么熟悉了。铁电体可以产生电场，它们在生活中的应用也很广泛，例如被用来制造电容器，为某些类型的计算机芯片供电。
就像铁磁体一样，铁电体的“超能力”也始于电子。简而言之，某些材料在其结构中内置了混合的带电原子。如果将电场施加到这些材料上，这些电荷会持续移动，负电荷和正电荷的分离会产生一个微小的电场，它被称为偶极子。当偶极子沿相同方向排列时，它们就发生所谓的电极化。这意味着材料会产生电场。能做到这一点的材料就被称为铁电体。
人们在实验中观察到的第一种表现出铁电性的材料，是一种看起来与铁电性毫无关系的材料——一种名为罗谢尔盐（又称酒石酸钾钠）的泻药，它是17世纪法国一位药剂师提炼出来的。
1824年，苏格兰物理学家戴维·布鲁斯特观察到罗谢尔盐具有热释电性。就是说，当加热或冷却罗谢尔盐时，它都会产生很小的电压。1880年，雅克·居里和皮埃尔·居里（居里夫人的丈夫）兄弟俩发现罗谢尔盐还具有压电性。也就是说，当它受到挤压、拉伸或发生其他物理变形时会产生电压。
这些早期的发现表明，罗谢尔盐的原子中发生了奇怪的事情。1921年，科学家有了更加有趣的发现。当时，美国明尼苏达大学的一位物理学家发现：如果将罗谢尔盐放置在电场中，其电荷会朝一个方向排列；即使撤掉电场，电荷也会老老实实地排列着，这时候罗谢尔盐就产生了自己的电场。这种性质类似于几千年来众所周知的铁磁性，所以人们将其称为铁电性。
互不相容
就这样，在费斯特发现通电导线使指南针振动、“跳舞”的现象之后仅一个世纪，罗谢尔盐实验加深了人们对电与磁之间内在联系的认识。考虑到两者的联系如此密切，你可能认为将铁电性和铁磁性合并到同一材料中是件很容易的事情，但这个想法没那么容易实现。
铁磁材料是导电的，而铁电材料是电绝缘的，因此两种材料分属两个不同的独立领域。也就是说，如果一种材料是铁磁体，那么它基本上不可能具有铁电性。道理很简单：铁磁性之所以存在，是因为电子的自旋对齐，而为了电子自旋对齐，电子必须能在原子之间自由移动；为了使铁电材料产生电场，当施加外部电场时，电荷必须能自由移动，然后保持原位。
“这不是一件小事。你需要关联两种不同的物理现象：一种带电流，一种带固定电荷。你该如何创造同时具有这两种特性的材料呢？”美国加利福尼亚大学伯克利分校的拉玛摩西·拉梅什说，“在某种意义上，这两种特性指向相反的方向，它们互不相容。”
但这并没有阻止科学家探索同时具有铁电性和铁磁性的材料。20世纪50年代，苏联物理学家合成了一种材料，将其冷却到0℃以下，它们就会表现出一些铁电-铁磁性，可这个特性在室温下就消失了，这限制了它们的实际应用。1965年，瑞士物理学家克服了一些困难，研制出能在室温下保持铁电-铁磁性的材料，但那种材料的易碎性使得它们的实际应用价值并不高。
强扭在一起
在接下来的30年中，人们不断尝试混合铁磁性成分和铁电性成分，但多铁序材料仍然遥不可及，难以制造，而且难以使用。彼时，斯波尔丁刚从美国耶鲁大学辗转到美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校。她果断放弃原来的研究计划，大胆地转入全新领域，全身心地探寻多铁序材料。2000年，她发表了一篇激动人心的论文，标题是“为什么磁性铁电体这么少？”。
在这篇论文中，斯波尔丁对这类材料必不可少的特性作了简洁而深入的分析。她的文章非常鼓舞人心，拉梅什就是受到斯波尔丁鼓舞的研究人员之一。他一直用一种名为铋铁氧体的人工合成化合物做实验。他觉得，实验中所看到的一些不寻常现象，似乎符合斯波尔丁论述的多铁序材料的特征。于是，他给斯波尔丁打了个电话。
那时斯波尔丁和拉梅什并不相识。斯波尔丁回忆道，拉梅什没有和她寒暄客套，而是开门见山地问：“你认为铋铁氧体在电极化后会怎样？”
正是那个非常规的开场白开启了他俩的合作。斯波尔丁在多铁序材料领域有着很强的理论功底和远见卓识，而拉梅什具有良好的材料制备的实验功底。两人的能力正好互补，天造地设。正如他们所预测的，研究证实了铋铁氧体是理想的多铁序材料。
在微观层面上，铋铁氧体由铋原子的晶格组成，其中散布着铁和氧的带电离子。铋原子形成的结构提供了铁电性，铁离子中的振动电子提供了铁磁性。氧原子也起着至关重要的作用，它形成了稳定的晶格几何形状，使铁电和铁磁两种特性都得以显现。拉梅什说：“你必须以某种方式将所有这些元素强扭在一起。”
爆炸式发展
斯波尔丁和拉梅什在2003年报告了他们的研究结果。他们制备的这种材料是人类获得的第一种多铁序材料。它具有必要的超强性能（兼具铁电性和铁磁性），而且可在室温下保持这种性能。他们的合作研究还表明，这种材料非常适用于计算机，尤其适合作为内存。
他们的研究引发了一场革命。在2003年之前，采用关键词“多铁序”或“铁电-铁磁性”仅可搜索到几百篇论文；自2003年以来，能搜索到的论文多达32000多篇。该领域的爆炸式发展让斯波尔丁和拉梅什目瞪口呆：世界各地的实验室都勇于面对各种挑战，各自制备出新的多铁序材料，探索这些新材料的性能。
从那时起，斯波尔丁和拉梅什及其他物理学家一直处于一场持续的紧张竞赛中，不断从意外发现的新材料中提取线索，做出下一个令人惊讶的重要发现。
从某种意义上讲，多铁序材料用作计算机内存只是一个初级应用。近年来，研究人员已经意识到这些材料具有更多的性能，有更多的应用潜力，可应用于包括医学和宇宙学在内的广泛领域。
斯波尔丁说：“这些应用性探索，超出了我们过去的所有想象。”她指出，事实上过去20年来出现的最大惊喜，可能是多铁序材料有很多与磁场和电场耦合行为无关的用途。例如，许多多铁序材料的结构使其成为杰出的太阳能收集器。至少从原理上讲，它们的能量转换率远高于如今硅基材料的最高转换率。
肯定还有更好、更高效的多铁序材料。而且，毫无疑问，在现有多铁序材料之外，还有全新的多铁序材料类型，它们具有人们尚未梦想到的独特性质。我们要全面认识它们，所要做的也许就是让更多像斯波尔丁这样的人提出富有创意的、有意义的问题。
本文选自《科学画报》
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