電介質與鐵電體

多鐵性材料

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有些材料是鐵電的——它們帶著一份可切換的內置電極化。另一些材料是鐵磁的——它們帶著一份可切換的內置磁性,就像冰箱貼。多鐵性材料就是那種少見的、能同時做到兩者的材料,在同一塊晶體裡,既握著一份內置的電偏向,又握著一份內置的磁偏向。

多鐵性材料真正令人興奮的,不只是這兩種性質能共存,更在於它們彼此能對話。在最受珍視的那些裡,加一個電場能撬動磁性,加一個磁場能撬動電極化——這種交叉耦合叫做磁電效應。這種聯繫之所以產生,是因為那些設定極化的偏心原子或傾斜的化學鍵,同時也在引導相鄰磁性原子如何排列。

這之所以重要,是因為它懸著一個誘人的獎賞:可以用電來寫入——既便宜又省電——卻用磁來讀出的存儲與邏輯器件,把兩個世界各自的長處糅到一起。要誠實地補一句:好的多鐵性材料很稀缺:有利於鐵電性的那些原子條件,往往與磁性相悖,所以大多數已知的多鐵性材料只能在很低的溫度下工作,或者耦合很弱。這是一片活躍的研究前沿,還遠不是日常的技術。

鐵酸鉍是如今被研究得最多的多鐵性主力材料:它在室溫下既是鐵電的,又有磁有序,而且研究者已經證明,用電壓把它的電極化翻過來,能讓它的磁性圖案跟著轉向——這正是「用電操控磁性」、整個領域都在追逐的那個把戲。

在鐵酸鉍中,一個翻轉電極化的電壓,還能讓它的磁性跟著轉向。

電序與磁序共存只是最起碼的定義;真正有用的那個獎賞,是兩者之間強的磁電耦合,而這在室溫下依舊很難做到。

又稱
multiferroic material多铁性材料