能同时产生电和磁的新奇材料

1820年4月的一个晚上，丹麦物理学家奥斯特将一根通着直流电的电线靠近他工作台上的罗盘，随后发现罗盘的指针发生了颤动和摇摆。那一刻使得他名垂青史。奥斯特所发现的是：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。运动的磁体产生电流，这正是水力发电机的工作原理。反过来，电流产生磁场，这正是像核磁共振扫描仪和粒子加速器上使用的强磁场的来源。

但这种关系也有局限性。直到最近，人们还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。然而，现在一切都改变了。

铁磁性的起源

要理解电和磁的关系，电子是关键。

几乎所有我们看到的物质都是由原子组成的，而原子又是由原子核和围绕原子核运动的电子组成的。电子虽然很小，但它们在决定材料的电和磁属性方面发挥着重要作用。

让我们先来看磁性。电子环绕原子核运动，形成一个环形电流。根据右手定则，环形电流产生磁场，所以一个原子就相当于一枚小磁针。在材料中，大量的原子就相当于大量的小磁针。大多数情况下，这些小磁针的指向是随机的，没有一个指向占优势，所以磁场就被抵消了，材料显不出磁性。然而，在一些材料中，当它们暴露在外部磁场中时，这些小磁针的某个指向会占优势，材料就产生自己的磁场，这叫“磁化”。大多数材料，一旦外磁场撤去，磁性也随着消失。但像铁这样的材料，即使在外磁场撤去之后，依然能保持磁性，这被称为“铁磁性”。

在日常生活中，铁磁体无处不在。指南针就是一例，还有你家的冰箱上也大约有几十块铁磁体。

铁电性的起源

另一类能产生永久电场的材料，叫“铁电体”。铁电体其实在今天也已经应用很广，只是不太为人所知而已。

铁电体产生电场的能力也来自电子。简而言之，一些材料含有极化分子(或原子)。所谓极化分子，是指这样一类分子，它们虽然正负电荷数相等，但两者电荷分布的中心并不重合。这使它们微弱带电，能够对外电场做出反应。譬如，水分子就是极化分子。但大多数情况下，每个分子的极化方向是杂乱无章的，所以材料整体上不显电性。

但是，对于某些材料，如果给它施加一个外电场，分子的极化方向就会调整到一致。这样，材料自己内部就能产生一个微小的电场。更有甚者，当外电场撤去，这个电场依然能够保持。能够做到这一点的材料被称为铁电性材料(注意：铁磁性和铁电性都并不意味着材料中一定要含铁元素)。

最早是在一种叫罗谢尔盐的泻药上发现铁电性的。科学家先是观察到，给罗谢尔盐加热或冷却时，它内部会产生一个小电压。后来又发现，当罗谢尔盐被挤压、拉伸或发生其他物理形变时，也会产生电压。更有趣的是，如果将罗谢尔盐溶解在水里，然后施加一个电场，它的正负电荷就会分离，排列在两头，产生自己的电场，即使外电场被移走，也保持不变。通过与几千年来一直为人熟知的铁磁性进行类比，这一特性被称为铁电性。

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。

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爆炸式增长，用多铁性材料制造硬盘可谓生逢其时。

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大爆炸后不久的时刻出现，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。