1820年4月的一个晚上，丹麦物理学家奥斯特d的一个发现使得他名垂青史——电和磁，这两种长期以来被认为是完全不同的现象，实际上是密不可分的。两百年后，电和磁的密切关系为我们的世界提供了动力。如今在大多数情况下，材料要么是铁电的，要么是铁磁的，它们很少同时体现两种状态。人们一也直认为让同一种材料同时拥有永久的磁场和永久的电场是不可能的，但近年来，科学家们在实验室中合成了具有多铁特性的材料，既可以用作铁电体，也可以用作铁磁体，并且有一种奇怪的耦合方式。

室温下的多铁性材料

这样，我们看到了，尽管都来源于电子的运动，但有的材料(如磁铁)，显铁磁性;而有的材料(如罗谢尔盐)，显铁电性。那么，有没有一种材料，鱼和熊掌兼得呢?

这种想象中兼具铁磁性和铁电性的材料，称为“多铁性”材料。可想而知，多铁性材料是不容易找的，但这并没有阻止科学家去探索。

1950年代，苏联物理学家合成了一种材料，当冷却到0℃以下时，这种材料显示出微弱的多铁特性，但在室温下这些特性又消失了。1965年，瑞士物理学家也造出一种显示出多铁性的材料，但这种材料极其脆弱，很难在现实中派上用场。

在接下来的30年里，人们不断尝试混合铁磁性和铁电性成分，但离实用的多铁性材料仍遥不可及。

然后，到了2000年，美国耶鲁大学的年轻女科学家尼古拉·斯帕尔丁发表了一篇论文。她在文章中简明扼要地分析了一种材料要想兼具铁磁性和铁电性，需要满足哪些条件。

这篇文章启发了美国加州大学的拉莫西·拉梅什。他当时正在研究一种叫做铁氧体铋的合成化合物。他发现铁氧体铋的构成似乎与斯帕尔丁描述的多铁性材料的特征相吻合。于是他联系上了斯帕尔丁，两人联手研究铁氧体铋。

事实证明，铁氧体铋是多铁性材料的完美候选者。在微观层面上，它由铋原子晶格组成，中间又穿插着带电的铁离子和氧离子。铋原子是一种极化的原子，可以提供铁电性，而铁离子则可以提供铁磁性。但仅仅拥有这两者是不够的，是氧离子把这两样东西结合在一起，创造出稳定的几何形状。

2003年，斯帕尔丁和拉梅什首次报告他们在铁氧体铋中观察到能在室温下保持的多铁性。自那以后，世界各地的实验室相继投入寻找和研究多铁性材料的竞赛中。

多铁有序可以存在于二维被证实

2022年，麻省理工学院的物理学家在一种像单层原子一样薄的材料中发现了奇异的“多铁性”状态。他们的观察结果首次证实了多铁性可以存在于完美的二维材料中。这些发现为开发更小、更快、更高效的数据存储设备铺平了道路，因为这些设备一般采用超薄多铁位以及其他新的纳米级结构构建而成。

研究者解释，二维材料就像乐高积木——你把一个放在另一个上面，就可以制作出与任何一块都不同的东西。现在团队有了一个新的乐高积木：单层多铁，可以与其他材料堆叠以产生有趣的特性。

在大多数情况下，材料要么是铁电的，要么是铁磁的，它们很少同时体现两种状态。但近年来，科学家们在实验室中合成了具有多铁特性的材料，既可以用作铁电体，也可以用作铁磁体，并且有一种奇怪的耦合方式。例如，电子的磁自旋不仅可以通过磁场切换，还可以通过电场切换。

所有已知的多铁性例子都是三维的，那这些状态能否以二维形式存在于单个原子片中？为了回答这个问题，该团队研究了碘化镍(NiI 2)，这是一种众所周知的散装多铁性合成材料。

虽然其他二维材料（如石墨烯）可以简单地通过从石墨等大块版本中剥离层来制造，但碘化镍的获取更困难，该团队需要一种新方法来合成二维形式的材料。研究团队借鉴了一种称为外延生长的技术，其中薄的原子片材料在另一种基材上“生长”。团队使用六方氮化硼作为大块基础，并将其放入熔炉中。在这种材料上，他们将其流过镍和碘化物粉末，它们以完美的原子薄碘化镍薄片沉积在氮化硼上。

研究人员逐渐将二维薄片冷却至低至20开尔文的温度，此前观察到该材料以三维形式表现出多铁特性。然后他们进行了单独的光学测试，首先探测材料的磁性，然后是电学特性。在大约20开尔文的温度，结果发现该材料既是铁磁的又是铁电的。

该团队的实验证实，碘化镍在其二维形式中是多铁性的。更重要的是，这项研究首次证明了多铁有序可以存在于二维中——这是构建纳米级多铁存储位的理想维度。

制造能耗更低的计算机硬盘

寻找和研究多铁性材料并不只是出于一时的好奇，这种材料的应用前景十分广阔。这里，我们仅以它在计算机上的应用为例。其余例子我们留在拓展阅读中供你参考。

计算机硬盘本质上是由微小的磁铁(叫磁芯)组成的。磁芯用于存储二进制信息。磁芯N极指向一个方向表示“1”，翻转过来表示“0”。现在，计算机上都使用电线，通过电流产生的磁场来操控磁芯，使其在必要时翻转。

多铁性材料提供了另一种方法。2019年，拉梅什的小组公布了一种多铁性电子元件，它也可以将信息存储为0和1。但与磁芯不同，它不需要来自电线的电流。相反，它可以通过施加一个外部电场来翻转。用这种方式存储每一比特的信息，能耗将降到原先的十分之一到三十分之一。

鉴于正在发展的物联网、自动驾驶汽车和人工智能等技术耗电量呈指数式增长，用多铁性材料制造硬盘可谓生逢其时。

多铁性材料研究的机遇与挑战

多铁性材料在基础及应用研究方面仍存在许多亟待解决的科学技术问题

譬如寻找及制备室温以上铁电/铁磁且具有强磁电耦合效应的多铁性材料，以及解决与半导体的器件集成中的瓶颈问题等。

多铁性材料根据组成的不同，可以分为单相和复合两类。其中，单相多铁性材料以第Ⅰ类多铁性物质BiFeO3和第Ⅱ类多铁性物质TbMnO3[4]为典型代表。第Ⅰ类多铁性物质中铁电性与磁性来源于不同的结构单元，两者之间的耦合较弱；与晶格对称性破缺产生铁电极化不同，第Ⅱ类多铁性物质中的铁电性来源于特定自旋有序态形成的超自旋流和电荷序形成的空间电极化，具有明确的量子调控可能性，但多数材料的居里温度或奈尔温度很低，寻找具有室温以上强磁电耦合效应的单相多铁性材料仍然是多铁性材料研究所面临的重要挑战。

另外，多铁性材料主要为过渡金属氧化物陶瓷块体及薄膜体系，在实际应用层面如何解决晶格匹配以及工艺兼容性方面的限制，实现与半导体的器件集成还存在巨大的挑战。

拓展阅读：魅力无穷的多铁性材料

1、跟踪癌细胞迁移

从神经元的电信号到细胞的离子通道，电活动在你的身体中无处不在。如果你能在分子水平上控制电活动，那么你实际上就可以控制细胞，治疗疾病。

多铁性材料可帮助我们实现这一点。我们可以把多铁性材料制成纳米机器人，让它们在血管中游动，运输拯救生命的药物。它们是铁磁性的，因此可以通过体外的磁场引导其运动;又因为它们是铁电性的，自身带有一个永久的电场，所以可以影响细胞的电活动。

科学家目前已经开发出多铁性纳米粒子来跟踪癌细胞的迁移。其想法是这样：多铁性纳米粒子一旦进入体内，就会以其铁电性，吸附在癌细胞上;而它们又具有铁磁性，可以通过核磁共振成像。这样一来，通过核磁共振成像就可以观察癌细胞的迁移。

2、帮助理解弦理论

弦理论是最受欢迎的万物理论候选者之一。弦理论认为宇宙中的一切都是由微小得令人难以置信的弦构成的，其不同的振动模式对应于不同的亚原子粒子。就好比弦乐器中，用同样一根弦可以弹出不同的音符。

1970年代，英国物理学家汤姆·基伯描述了这种弦如何在宇宙出现，但要实际了解这个过程几乎不可能。不过，基伯为早期宇宙制定了一些数学对称性，说只要满足这些对称性，弦就会出现。如果有人在现实中找到满足这些对称性的东西，或许就能对早期宇宙建立模型，进行模拟。

40年后，斯帕尔丁发现，一种叫做钇锰矿的多铁性物质，与基伯提出的对称性条件非常匹配。因此，这种材料有望用于模拟宇宙早期的条件，增进我们对弦理论的了解。

3、寻找暗物质

宇宙中大约有85%的物质是不可见的，被称为暗物质。暗物质跟普通物质只有引力作用，无法用常规的望远镜观测，所以至今还没有人直接发现它。

一种简单的想法是，当地球嗖嗖地穿过一大片暗物质云时，由于暗物质对普通物质的引力作用，会引起一种微弱的拉拽效应。通过探测这种效应，或许能为暗物质的存在提供证据。

但这种效应非常微弱，需要十分敏感的探测器。而用多铁性材料制造的探测器将比目前的大多数暗物质探测器要敏感得多，或许能接收这种微弱的信号。

文章来源： 大科技杂志社，前瞻网，现代物理知识