磁电双控：多铁材料引领计算架构新革命
想象一台电脑，运算速度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。现代计算机系统基于冯·诺依曼架构，控制器与存储器的分离导致信息需不断往返传输，形成“内存墙”这一性能瓶颈。科学家们一直在探索能在室温下实现强磁电耦合的多铁材料，以打破这一固有架构。
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”，填补了计算磁电耦合强度的空白，为未来的材料设计提供重要依据。该项目荣获2024年上海自然科学奖一等奖。
多铁材料的独特性质
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指出了磁和电的耦合关系。自然界中确有一类特殊材料，具备铁电性和磁性，如铁酸铋（BiFeO3）和锰酸铽（TbMnO3），它们的铁电态和磁态可以同时改变。
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。由于多铁性材料往往是半导体或绝缘体，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，从而实现低能耗运行。
然而，已知多铁材料的性能在常温下不理想，向红军指出，这类材料在低温下显示出较好的磁电耦合效应，但常温下的耦合性能就不理想。
磁电耦合统一模型的突破
“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，”向红军介绍说。复旦大学团队将理论模型与量子力学第一性原理计算结合，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。
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。”
“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。向红军表示，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。
此外，多铁材料在磁场测量领域具有独特优势：灵敏度极高，功耗极低，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。
“2024年度上海市科学技术奖近日正式颁发，激励上海科技工作者在建设国际科技创新中心的进程中为国担当、勇为尖兵。”
复旦大学的这一突破不仅为多铁材料的实际应用铺平了道路，也为未来计算架构的革命性变革提供了可能。
