想象一台电脑，无需等待数据在处理器和存储器之间来回传输，运算速度可提高数倍，且几乎不发热——这正是"多铁材料"可能带来的科技革命。现代计算机系统构建于冯·诺依曼架构之上，由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五个部分组成，其中的控制器和存储器保持分离。控制器就像大脑的思考中心，而存储器则像记忆仓库，两者分离导致信息需要不断往返传输。存储器和控制器之间的信号传输延迟（即"内存墙"就像信息高速公路上的交通拥堵）是制约计算机性能的关键因素。
有没有可能改变架构，打造存储器和控制器于一体的新型计算机系统，让计算性能大大提高？过去20多年，国内外科学家一直梦想能实现室温下强磁电耦合的多铁性材料来打破这个固有架构，但由于没有全面掌握磁性和电性如何协同工作的规律，一直未果。近年来，复旦大学物理系向红军教授团队创建了全新的“磁电耦合统一模型”来理解铁电性与磁性如何在同一材料中和谐共存的"规则"，同时填补了计算磁电耦合强度的空白，有望为未来的材料设计和应用提供重要依据。"磁致多铁性的统一模型及其算法"项目荣获了2024年上海自然科学奖一等奖。
自然界中神奇的多铁材料
上世纪50年代，诺贝尔物理奖获得者朗道在其相变唯象理论中就指出了磁和电存在耦合关系。事实上，在自然界中，确有这样一类特殊材料，它同时具备铁电性（可被电场控制）和磁性（可被磁场控制），就像一个有两个开关的智能设备。比如铁酸铋（BiFeO₃）和锰酸铽（TbMnO₃），宏观上它们可以表现出铁电态和磁态的同时改变，这来源于铁电性和磁性之间的相互影响，就像一对舞伴，当电性（领舞者）变化时，磁性（跟随者）也会随之调整。所以多铁材料是一种同时拥有"电开关"和"磁开关"双重功能的智能材料。
这种独特性质使得未来信息器件有望实现电写入和磁读取的高效操作模式，即通过电场调控铁电极化（材料内部电荷分布的有序状态），并利用磁电耦合效应间接操纵磁序（磁性排列方式）（电写入），再结合磁性传感器（如磁隧道结）读取磁状态（磁读取）。这就像用电笔写入信息，再用磁性"眼睛"读取信息，两种方式优势互补。因多铁性材料往往是半导体或者绝缘体，其功能通过电场驱动而非电流，避免了电流产生的热量损耗，因此多铁材料的应用还有助于实现低能耗运行。
过去几十年，科学家们发现了多种新型多铁材料，但已知多铁材料的性能离实际应用还有不小的距离。向红军告诉记者，原因是这类材料虽然在低温下显示出较好的磁电耦合效应，但是常温下的耦合性能就不理想，就像需要在冰箱中才能工作的手机，难以在日常环境中使用。
形成“测量尺”可根据需要进行改造
“多年来，我们的工作就是搞清楚多铁材料内部的磁电耦合机理，希望以此为基础设计出在常温下呈现出良好的磁电耦合效应的多铁材料，能在产业界得到实际应用。”向红军介绍说。
曾有很多科学家去探索研究多铁材料的耦合机理， 比如，“实验物理学家观察到这类复杂现象，但无法弄清机理，理论物理学家根据一些现象打造了一些理论模型，却难以定量的准确表达材料的特性并且模型往往局限于某些材料，当新的多铁材料出现后，已知的模型就失效了。”向红军说。
而复旦大学团队此次最大的贡献在于将理论模型和量子力学第一性原理计算结合起来，打造了磁电耦合统一模型，厘清了多种材料中磁电耦合的微观机制，具有普适特性和定量预测能力。为了使统一模型避免过去模型依赖经验参数的弊端，团队发明了“四态法”计算方法。向红军介绍说，“四态法是精准的‘测量尺’，它利用四个特殊的磁性态即可同时计算磁相互作用强度和磁电耦合强度。”这一创新举措为理解材料的多铁性和磁电耦合机制提供了全新的视角。
统一模型建立的另一好处是使得对多铁材料的改造有了可能。“我们可去改造结构，就像搭积木一样，通过原子尺度调控（或‘异质结设计’），将可能具有优异铁电性和磁性的元素或者功能材料相互组合，再通过‘统一模型’去理解、修正和优化，最终设计出能在常温下实现磁电耦合的全新多铁材料。”向红军说。
有着良好的未来应用前景
团队建立的统一磁电耦合模型被国内外同行广泛认可和采用，被领域专家认为是“通用形式”“原创性”的；提出的四态法已成为该领域的标准方法，被国际上100多个研究者采用。
“未来或可利用多铁材料挑战冯·诺依曼架构，将计算机的控制器和存储器合并成一个元器件，实现存算一体结构，让计算机的运算变得更加快捷。”向红军告诉记者，另外多铁材料在磁场测量领域具有独特优势：它们灵敏度极高，功耗极低，且能同时测量磁场强度和方向。这使它们在地磁测量、医学传感和空间探测等领域大有可为。
作者：吴苡婷
来源：向红军
编辑：朱文莹
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