NSR专访: 多铁材料的前生今世 | 尚郁
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七律@洗尘沙
2018.11.12
长夜盘桓客酒家，弓壶斟起廿春华。
多维对称交天宇，两序相邻若海涯。
尚郁清风幽鹤发，木村痴雨洗尘沙。
匠心何介千杯梦，窗外霜红入晓霞。
注释：
2018年11月10~13日， 第十届APCTP多铁性研讨会在韩国大田KAIST举行。2018年11月11日晚，诸位同行在城郊一酒肆贪杯。不才感佩多铁性物理研究历程，随笔而写。
弓壶~有铭文的酒器，喻指对酒当歌。
廿~nian去声，表示二十。
多维~时间、空间维度，喻指多铁性物理牵涉到的各种维度。
对称~多铁维度的对称性。它们在一阶铁性中没有关联，没有交集，即便穷尽宇宙也无法相交。
两序~铁电序铁磁序。“相邻”喻指铁电磁性共存。不要指望铁电序和自旋序会相辅相成，它们相邻而生、却如隔天涯、相克相忘。
尙郁~S. W. Cheong，中文名尙郁，多铁性物理代表人物之一。他形瘦鹤发(见第七张)，似有仙风鹤骨模样。
木村~Y. Kimura，中文姓木村，多铁性物理代表人物之一。他样貌童颜、言行贵重，二十年痴情于多铁性新材料新物理，不论低潮高峰，令人感佩。
痴雨~有佛意，如“痴雨歇簷滴，顽云开日华”。
尘沙~尘世。“洗尘沙”表达远离世事、一心向道的处世哲学。
霜红~大田十一月，正是满山乱红、让人心醉而悲的景象。
只要痴心犹在、匠心不已，又何必介意千杯酒醉。不妨历尽芳华，一起度过长夜，等待看霜红浸入佛晓初霞的那一刻。
所有照片拍自大田KAIST
记者手记
第一次听到“多铁性材料”这个名词，我想当然地以为它是“一个分子中含有多个铁原子的材料”。很快，我就知道自己错得有多离谱，多铁性材料（Multiferroics）的定义是：同时具备两种或两种以上“铁性”的材料，这里的铁性可以是铁磁性、铁电性、铁弹性等。
铁磁性接近于我们日常熟悉的“磁性”概念，是指一种材料具备自发磁化，并且，这种磁化可以被外加磁场调节。我们熟知的磁铁（Fe3O4）就是一种（亚）铁磁性材料。将上述概念中的“磁”替换成“电”，就得到了铁电性的概念：一种材料具备自发电极化，并且，这种电极化可以被外加电场所调节。
铁磁性材料和铁电性材料都相对常见，但同时具备两者性质的多铁性材料则十分罕见，只在最近20年左右才得到了众多科学家的重视和研究。2018年底，在南京大学刘俊明教授、东南大学董帅教授和北京理工大学王学云副教授的帮助下，《国家科学评论》（National Science Review, NSR）在南京采访了多铁性材料领域的开拓者和领军人物：韩裔美国科学家Sang-Wook Cheong。Cheong的实验室位于美国罗格斯大学，这是一所具有250余年历史的公立综合性大学。Cheong本人则严谨而亲切，谈起多铁性材料研究的历史、现状与发展方向，如数家珍。
下面便是这次访谈的主要内容，看过之后，你也能一窥这一新兴领域的一鳞半爪。
Sang-Wook Cheong教授。照片由受访者本人提供。
五花八门的多铁性材料
Cheong：20世纪60年代，有科学家发现在低温条件下，某些铁电材料同时也具有磁性，这可以算作是多铁性材料研究领域的起源。欧洲和俄罗斯的几个研究组跟进这一成果，并且发现了一种非常重要的多铁性材料：铋铁氧体（BiFeO3）。在这之后，多铁性材料领域沉寂下来，直到21世纪初两个重要发现的出现。
第一是CME效应，也就是庞磁电效应的发现。CME效应是指，在一些材料中，由外加电场或磁场控制的多铁相变可以引发非常巨大的磁电效应。而磁电效应，也就是材料中磁与电的相互耦合，正是多铁性产生的基础。有了磁电效应，我们就可以用磁场控制材料的电极化性质，或者用电场控制材料的磁化性质。在TbMnO3、TbMn2O5等第II型多铁性材料中，都存在CME效应。
第二是BiFeO3材料制备工艺的成熟。2003年，研究者发现BiFeO3的剩余极化强度很高，是一种实用性能很好的多铁性材料。现在，我们有能力制备高品质的BiFeO3单晶和薄膜，这对于实用多铁性器件的发展具有重要意义。
在我看来，这两个重要发现是这一领域得以发展的关键。
Cheong：钙钛矿结构有其独特之处。首先，它具有高度的灵活性。我们可以通过元素替代，将各种元素加入钙钛矿结构中，使材料具有包括磁性在内的各种性质。其次，钙钛矿结构是一种立方或准立方晶格结构，具有高度的对称性，而这种对称性是可以被内部、外部的各种扰动所破坏的。当它的空间对称性被破坏，就能够获得铁电性。我想，这些原因综合起来，使得钙钛矿结构易于获得多铁性。
Cheong：有机材料的柔性很高，它的空间对称性很容易被破坏，也就是可以获得铁电性。如果我们再向其中加入磁性金属离子，又可以使它获得磁性。于是综合这两点，有机材料就可以成为多铁性材料。
有机多铁性材料的优势和劣势都来源于其晶格较高的柔性和灵活性。晶格的柔性和灵活性使我们容易获得各种各样的有机多铁性材料，这是它的优势；同时，高柔性也使得有机材料相对不稳定，这是它的劣势。
所以我认为，对于科学研究来讲，有机多铁性材料是很有趣的研究对象，但如果要用它制备室温、长寿命的器件，目前还有困难。
Cheong：多铁性材料可以用于制造需要磁电耦合性能的器件，比如低能耗的存储器件。硬盘等存储器件都是用磁化来记录信息的。使用多铁性材料，就可以通过外加电场来改变材料的磁化性质，完成记录。改变电场所需的能量是很低的——因为只需要改变电压，不需要产生电流，也就不产生能耗——所以整个存储器件所需的能耗就会很低。
另一个应用实例是高频器件，包括高频滤波器、高频电感器等。多铁性材料中，晶格与自旋之间的耦合可以产生高频、可控的震荡，这使得它适用于高频器件。
有趣的畴壁
Cheong：多铁性材料中，自旋和电偶极子会按不同的方向排列。材料中，自旋和偶极子以某一特定方向统一排列的一个区域就叫做“畴”（domain），两个畴之间的交界区域就叫做“畴壁”（domain wall）。
ErMnO3晶体中的畴与畴壁。光镜照片由受访者提供。
Cheong：畴的尺寸可大可小，通常在微米量级。铁电畴壁的厚度通常小于1纳米，大概是几个埃米；而磁畴壁的厚度却可以达到1微米。所以，多铁畴壁的厚度在1纳米到1微米之间不等。在第II型多铁性材料中，我们可以通过控制相变来控制畴和畴壁的大小。事实上，对畴和畴壁尺寸的理解和调控，是一个重要的研究方向。
Cheong：不同的畴具有不同的性质，而作为畴与畴之间的过渡地带，畴壁的性质又与畴的性质不同。目前，我们对于畴的性质了解很多，但畴壁的很多性质还有待探索。
如果一块材料的尺寸超过了单个畴的尺寸，那么它就一定包含多个畴，也包含畴壁。这时候，畴壁的性质就会影响材料的整体性质。所以为了准确研究材料，我们就必须要更深入地了解畴壁。
未解之题
Cheong：首先，我们现在还很难从零开始设计出新的多铁性材料。我们现在有能力预测材料的铁电性，但是要预测材料的磁性就难得多，更不用说对多铁性的预测了。其次，多铁相变的动态过程还有待研究。最后，畴壁，包括畴壁网络的性质还有待研究。
Cheong：AI技术擅长处理大数据、复杂系统的问题。而多铁性材料符合这些特点。近年来，实验设备快速发展，越来越高的空间、时间分辨率带来了大量的实验数据。而畴壁、畴壁网络的平衡和拓扑结构又十分复杂。所以我认为，与第一性原理、材料基因组等传统计算机方法相比，AI是一个值得探索的方向。
在最近的一次学术会议上，Lehigh大学的Joshua Agar教授就做了相关报告，他希望能够用机器学习方法来预测多铁性材料。相关的研究工作还处于初级阶段，我还不能肯定地说AI一定能带来突破，但它一定是值得尝试的。
Cheong：我的研究组致力于合成高质量样品，也同时进行材料的表征。如你所知，我主要的兴趣点在于多铁性畴壁。我们利用AFM/STM等先进仪器，来研究畴壁相关的诸多问题。
此外，我们还和很多其他研究组合作，包括关注多铁性材料动态过程的研究组、主要做理论的研究组等。我们为他们提供优质样品，共同开展研究。在多铁性材料领域，我的研究组已经算是比较大的组，但是我们依然没有能力开展所有相关课题的研究，所以研究组之间的合作十分必要。
Cheong：首先，我个人肯定希望在畴壁领域能有进展，希望我们能够更好地理解畴壁的各种静态、动态和拓扑性质。此外，在高性能多铁性器件，尤其是室温、可控性良好的器件的制造领域，可能会有新的进展。
其他
Cheong：在过去5到10年中，中国在拓扑材料等很多领域取得了世界瞩目的成果。和这些领域相比，中国科学家在多铁性材料领域中的贡献相对有限。中国有很多优秀的研究者，所以我相信，如果中国能够像对待拓扑材料领域一样，对多铁性材料领域进行大规模的资金和政策投入，中国科学家将可以做出更重要的成果。
Cheong：现在的多铁性材料领域中，还有很多重要的问题有待解决，同时，我们也有很多优秀的实验和计算手段来解决这些问题。所以我相信在未来10年中，这一领域将会蓬勃发展，而年轻一代必然会在其中发挥重要作用。他们究竟能取得哪些成果，我拭目以待。
备注：
本文编译自NSR文章“Pas de deux of electricity and magnetism: an interview with Sang-Wook Cheong”（doi: 10.1093/nsr/nwz004）
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