@ 2018.10.31 , 11:00

寻找传说中的铁电体单元粒子

在提出预言80多年后,物理学家们终于找到了离散物质单位的证据,可以帮助我们更好地理解铁磁性的电学等价物。

那是什么意思?虽然一些自带磁场的材料是永磁体,但其他材料(例如铁)是铁磁体。它们在磁场的影响下被磁性物质所吸引。

理论上,铁电体以相同的方式工作,只不过起到中介作用的是电磁场。

这听起来有点无趣,但挖掘出铁电体的能力可能会引发数据存储技术的革命。以后我们的智能设备将拥有更大的容量。

它也可以解开物理学中一个长期存在的谜团,因为到目前为止这些粒子还从未被人观察到过。

瑞典林雪平大学和荷兰埃因霍温科技大学的研究人员在分析两种不同材料中的分子遵循铁电体规则的方式时,观察到了被称为“hysterons”的纳米级分子团簇,在材料组织中与周围环境格格不入。

你可能还记得中学学过的内容,我们可以用强磁铁磁化一根针来制作一个简易罗盘。

因为针由诸如铁或镍的材料制成,其具有的原子特性,使其粒子在电磁场中重新排布。

铁电体或多或少与之类似,只是这些材料中的粒子在电磁场的作用下下永久地改变了位置。

它们是同一枚硬币的两面,并且属于粒子偶极子化的一种方式。

在铁磁性中,我们将偶极称为北极和南极。对铁电材料,就是正极和负极。

寻找传说中的铁电体单元粒子

偶极子通常是随机排列的,指向所有方向,这就是为什么通常的铁制品没有磁性。

但是,在足够强大的电场或磁场的约束下,这些单独的偶极子达成“共识”,产生了“凝聚力”。

最大的问题是“足够强大”到底是多大?这里就涉及到一种被称为磁滞的效应:铁磁性物理材料(例如:铁)在磁化和去磁过程中,铁磁质的磁化强度不仅依赖于外磁场强度,还依赖于原先磁化强度的现象。 当外加磁场施加于铁磁质时,其原子的偶极子按照外加场自行排列。即使当外加场被撤离,部分排列仍保持:此时,该材料被磁化。 一旦被磁化了,其磁性会继续保留。要消磁的话,只要施加相反方向的磁场就可以了。这亦是硬盘的记忆运作原理。出自百科

理想条件下,整块材料都会以同样的方式表现出磁滞现象。

但是有人忘了通知大自然这一点,并且在同一块材料中的一小部分分子会因为受迫运动,与整体节奏格格不入。这些分子被称为磁畴(Magnetic Domain)。

1935年,一位名叫Franz Preisach的物理学家认为存在这种磁滞-磁畴现象的电子等效物,他将其称为电迟滞hysterons

根据Preisach模型,若干分子的电迟滞效应对不同的场强做出反应,好像它们是离散的物质粒子,就像自有领域一样。这是一个很妙的想法,但物理学家们到目前为止还没有取得太多的进展,来填补理论细节。

通过比较具有独特结构的一对有机铁电材料,研究人员现在已经确定了存在类似于理论中的电迟滞式的分子排列。

虽然它们有许多不同之处,但两种材料都含有纳米宽的分子堆叠,长度为几纳米。

首席研究员、林雪平大学的Martijn Kemerink说:“诀窍在于它们具有不同的尺寸,而内部之间非常紧密,因此有很强的互动性。组间和环境产生了差异,这就解释了Preisach分布。”

我们的许多存储器件需要在铁磁材料中转换磁偶极子。

通过更好地模拟铁电效应,研究人员未来可以设计出能够保存更多信息的材料。

该研究发表在Nature Communications上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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