科學家發現新型態的「磁電效應」,有望成為資料儲存的新技術方案

電磁之間會產生交互作用,例如中學物理談到的電流磁效應(電流產生磁場),電磁感應(磁場改變產生電流)等等;而在特殊材料中,電與磁之間會有耦合(coupling)的現象,也就是說,該材料的電性會被磁場影響,磁性會被電場影響,產生所謂的磁電效應(magnetoelectric effect,ME)。

磁電效應在感測器與資料儲存技術佔有重要地位。近日,維也納技術學院(Technische Universität Wien)固態物理研究所研究一個特殊晶體的磁電效應,發現人類過去未知的磁電效應型態,若成功將該原理商用,有望優化資料儲存效能。

研究團隊將論文發表在《npj Quantum Materials》期刊上。

研究論文 傳送門

研究團隊發現電極化強度與磁場的非線性關係

一個晶體的電性與磁性是否耦合,取決於內部的對稱性,若晶體高度對稱,例如一側的晶體結構是另一側的鏡像,它理論上就沒有磁電效應。

研究團隊研究一種由鑭、鎵、矽、氧、鈥原子所組成的晶體。該晶體有高度對稱性,根據理論,它不會有磁電效應。在弱磁場之下,電磁之間的確沒有耦合的現象;然而研究團隊發現,如果電場強度增加,鈥原子就會改變量子態並獲得磁矩,改變晶體內部的對稱性。雖然從幾何的角度來看,晶體還是對稱的;但如果將磁性列入考量,它就不是對稱的。

該研究顯示,晶體的電極化(electrical polarization)可藉由磁場改變。電極化是指晶體內部正負電荷位移的現象,這可由電場輕易產生,但根據磁電效應,磁場也能產生電極化的現象。參與實驗的 Andrei Pimenov 教授表示,根據實驗,電極化的強度與磁場強度幾乎是線性關係,這並不意外;但特別的是,電極化與磁場方向的關係並非線性,若稍微改變磁場方向,電極化就會大幅改變。這是人類過去未知的新形態磁電效應。

有望成為固態資料儲存的新方案

未來,研究團隊將嘗試透過改變電場,來改變晶體的磁場特性。Pimenov 認為,若磁場能改變電場特性,或許電場改變也會對磁場產生類似的效果。

對於該發現的產業應用,Pimenov 表示,磁電效應已經在科技應用扮演重要角色,若研究成功,該理論也應用在產業界的話,這可能是固態資料儲存的新方案。現在的電腦硬碟(HDD)需要使用線圈產生磁場,來改變磁碟上磁性物質的磁場方向,達到讀寫資料的目的,然而此舉需要大量的電能與時間,因此若能透過電場,直接改變固態記憶體的磁性,就會是儲存技術的突破。

參考資料

npj Quantum Materials》、《TU Wien》、《PhysOrg

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:Needpix.com CC Licensed。)

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