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编者按:本文作者马岳(Eric),斯坦福大学应用物理系博士生,2015年10月30日,在《科学》杂志上以第一作者的身份发表了文章,并联系到科学松鼠会,希望向国内的读者们详述这篇论文背后有趣的知识。2016年的科学圈圈坐,趁机就这么启动了……

感谢马岳在第一次科学写作过程中付出的巨大努力;感谢猛犸对文章第二稿给出的详实建议;感谢郭曼文 (Ivy Guo)牵线了这次合作,结识科学松鼠会时,她正处于即将完成学业,进军职场的阶段,刚完成了骑行横跨美国的壮举,如今,已经是爱非凡国际教育咨询创始人及CEO了

正文开始前,先看看马岳的自我介绍:

我叫马岳(在米国大家叫我Eric),斯坦福大学应用物理系沈志勋教授组N年级博士生。学物理大约开始于高中参加物理竞赛,不小心拿了个奖,在不是特别明白的情况下就卖身北京大学物理学院了。然而物理一学就容易上瘾,因为经常会引发一种“对宇宙万物大概的运行规律都有所了解”的良好自我感觉。实际情况倒也真差的不多(每周的《自然》和《科学》杂志上的文章基本都能明白个大概),但是身在硅谷,每天经受着互联网创业大潮的冲刷,还是不免时不时怀疑自己研究的实验凝聚态物理到底能不能最有效率的为社会产生价值,以及为我产生饭票。除了物理,从小就对生物有浓厚的兴趣:别人家的孩子在踢球打街机,我却趴在地上看蚂蚁,一看能看一下午。这个兴趣到了现在不减反增,以至于经常选些无关科研的生物物理课。最近又发现人工智能和虚拟现实很有意思,用到科研上应该会有巨大潜力。放眼未来,觉得没准可以用大数据流研究某种很酷的,和电输运或者光学有关的生物物理问题 -- 如果到时候还没有为了饭票转行做码农的话。

当年在北大山鹰社度过了几年非常美好的时光,所以有空还是喜欢去户外转转,爬爬山钓钓鱼,自虐一下,每次回来都更加珍惜来之不易的文明生活。另一大爱好就是打游戏,从红警95到巫师:狂猎,目前在期待第一部虚拟现实大作,经常感叹现在的孩子们真是太幸福了。最近突然意识到人文社科其实也非常有趣(且重要),于是没事就补补政治经济历史。

总之我的人生估计和科学是脱不了干系了。既然要做个科学家,我希望能成为一个不仅研究科学,也能传播科学,服务社会的好科学家 -- 说到传播好科学,目前汉语圈里还没发现比科学松鼠会更靠谱的,所以一直觉得能给科学松鼠会写东西是一种荣誉。

【@Mt. Shasta. 如果说做实验就像爬山,我觉得我多半都是在大雾/暴风雪天爬 -- 能清晰的看见顶峰(实验目标)的情况还是很少很奢侈的。】

以下为正文,手绘图均为马岳完成(比Ent画的不知道好到哪里去了)。

一群来自美国斯坦福大学,劳伦斯伯克利国家实验室,日本东京大学,RIKEN理化研究所,中国西安交通大学和上海微系统所的科学家们最近发现了第一个有着金属性磁畴壁的磁性绝缘体。这项结果发表在2015年10月30日的《科学》杂志上。

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【基于扫描电子显微镜照片的金属性磁畴壁效果图。竞标《科学》杂志封面失败的作品。】

除了有个听起来很酷炫的名字之外,这项研究不仅给一个在理论上争论了半个世纪的问题提供了第一个实验证据,也有可能成为未来存储介质的基础,悄悄影响你我的日常生活 -- 所以不如现在就来了解一下。

什么是磁性绝缘体

从导电性质的角度,固体大致可以分为金属、半导体和绝缘体三类。其中纯半导体和绝缘体没有本质区别:两者随着温度降低导电性能都会飞快变差(电阻率升高),理论上,在接近绝对零度时都会完全绝缘。与之形成鲜明对比的是金属:金属的导电能力对温度变化不算敏感,在低温下导电性也依然很好。

【简化的普通金属和绝缘体导电性(电阻率)随绝对温度的变化。】

给定一种材料的化学构成和晶体结构,从理论上预言这种材料是金属还是非金属,是固体物理最重要的研究课题之一。这个问题和“三体”问题类似,是个看起来很简单但实际上非常复杂的问题:虽说我们知道整个体系的精确的动力学方程——即薛定谔方程,但是因为材料里的电子和原子核太多了(大约每立方厘米中有1023个),而且每一个带负电的电子都受到其他所有电子的排斥和所有带正电原子核的吸引,其中的变量如此之多,以至于根本没有希望能把这个方程解出来。

于是物理学家们做了一个十分大胆的假设:完全忽略电子之间的排斥,以极大地简化计算量。这个看起来大胆过头的“近似”实际上效果却出乎意料的好,可以准确预测大量材料的性质。

然而有些用这种方法算出来应该是金属的材料,实际上在低温下却变成了半导体/绝缘体 -- 这些大多属于电子互斥不能被忽略的例子(在室温下这些材料大多会恢复成金属,所以日常生活中不常用到)。1951年,美国物理学家John Slater用平均场近似处理了电子之间的排斥,发现不仅能得到绝缘体,居然还得到了磁性:当电子互斥足够大,温度也足够低时,电子们都更愿意宅在自己的原子核附近而不是到处转悠,于是本来在高温下导电的材料就变绝缘了;同时因为电子是费米子——满足泡利不相容原理,这意味着什么?意味着它们的自旋也会按照某种特定的方式排列——结果就是产生了磁性。科学家给这些有磁性的,在低温下才存在的绝缘体,起了个名字叫“Slater绝缘体”。

【一个有“金属-绝缘体相变”的材料,在临界温度以上是没有磁性的金属,在临界温度以下因为电子之间的互斥变成了有磁性的绝缘体(小箭头表示电子自旋)。】

再后来,大家觉得对有些电子互斥格外强的材料,平均场理论也不够精确,以至于需要真正考虑每对电子之间的排斥,也就是又要面对可怕的未解方程式,这谈何容易!于是大家不得不做其他简化/假设,并且经常被迫用物理图像而非数学说事。这一类绝缘体被叫做Mott绝缘体。和Slater绝缘体不同,Mott绝缘体理论上可以没有磁性。

这里要强调一下,归根结底Slater和Mott都是理论模型,实验上在低温下观测到的“磁性绝缘体”到底更适合用哪种模型描述,各家说法不一。

什么是磁畴壁以及它(理论上)为何会导电

在有磁性的材料里就会有“磁畴”,以及“磁畴壁”。举个例子,一块普通磁铁可以看作很多微观小磁针(磁矩)的集合。这些小磁针的南极都朝着一个方向,所以宏观磁铁的南极也朝着相同的方向。如果你把磁铁加热到足够热,这些小磁针会开始杂乱无章地随机转动,于是磁铁会失去宏观上的磁性。

如果你在一个有外加磁场的地方把磁铁冷却,小磁针们一般会自发的沿着外磁场方向排列,从而还原磁铁的宏观磁性。然而如果在没有外磁场的地方把磁铁冷却,这些微观小磁针仍会希望回到整齐排列的状态,但它们会面临一个艰难选择:把南极都向着左边、右边,还是其他任意一个方向?毕竟,在没有外磁场的情况下,所有方向都是等价的。最终不同位置的小磁针们会随机选择一个方向,于是原来的一整块磁铁,就变成了很多块较小的、磁场方向随机的磁铁的集合。

每个内部小磁针排列方向确定的区域,就叫做一个磁畴。这些磁畴的尺寸可以从几纳米到几毫米甚至更大——你的磁条式信用卡和传统磁盘里储存信息的就是这些家伙。值得一提的是,由于磁畴形成过程的随机性,如果再一次加热+零场冷却,得到的磁畴一般是不同的(不信可以用你的硬盘试试)。

相邻磁畴的边界就叫做磁畴壁:在磁畴壁附近的小磁针们从一种排列方式过渡到另一种排列方式,因此可以说磁性在磁畴壁处被“扰乱”了

【把一块磁性材料加热到磁转变温度以上之后,在零磁场下冷却一般会形成很多磁畴和磁畴壁;在强磁场下冷却,却可以还原宏观磁性,其方向会由所加的磁场和磁铁的几何形状决定。】

磁性绝缘体里也有磁畴和磁畴壁。由于这些材料里电磁性质的耦合,磁畴壁在理论上可能会变得导电。比如在Slate绝缘体的模型里,磁性和绝缘性基本是成对出现的,所以既然磁性在磁畴壁处被扰乱了,绝缘性自然也会被扰乱,于是磁畴壁理应变回金属。这个计算很简单,数值结果在大多数情况下也支持这个物理图像。

Mott绝缘体要复杂得多:有人认为,在这种绝缘体中电子之间的排斥起绝对主要作用,磁性如果存在,也不过是个副产品,所以不管磁性有没有被扰乱,材料都应该保持其绝缘性 -- 于是磁畴壁一般不应该变成金属。然而这个计算很难,好像没有人真正算出来。

以上这些理论上的讨论,终究要和实验观测结合才有意义。可是这些磁畴壁也真是非常难研究,在成百上千的磁性绝缘体材料里,直到2015年都没有确凿的证据,来说明哪怕某一种特定材料里有金属性的磁畴壁。于是大家就打打嘴仗,互相扣一扣”Slater派”和“Mott派”的帽子。

金属性磁畴壁的首个实验观测

Nd2Ir2O7是一种有金属-绝缘体相变的氧化物,在室温是个无磁性的金属,降温至临界温度-240℃(绝对温度33开尔文)以下变成磁性绝缘体。2014年科学家们发现这种材料有个很特殊的性质:如果你把一小块这种材料加热到临界温度以上,并在强磁场里冷却,它会变成一个普通的磁性绝缘体,随着温度降低,导电性飞快变差;但如果在零磁场里冷却,它却要导电的多,而且在极低温度下,也没有要变的完全绝缘的趋势。

Nd2Ir2O7Transport

【同一块Nd2Ir2O7样品,零场冷却比强场冷却导电的多,说明磁畴壁有可能是金属性的。】

这是为啥?同一块样品强场冷却和零场冷却有什么本质区别?从上面普通磁铁的例子,我们知道在零磁场里冷却的话会形成很多磁畴,磁畴之间会有很多磁畴壁。所以如果磁畴本身是绝缘的,而磁畴壁其实是导电的,以上现象不就可以被解释了么!Nd2Ir2O7难不成会是第一个被发现的有金属性磁畴壁的磁性绝缘体?你信了?可惜科学家们还不能这么轻易下结论:有那么多“如果”,为啥偏偏是这一个?

看来光测宏观电阻率是不行了,怎么办呢?好在现在是科研国际化的网络时代,只要给全球各地的科学家小伙伴们发几封电子邮件,如果对方有兴趣,就可以马上开始跨国合作!很快一群来自五湖四海的科学家们就聚到了一起,开始用各自的十八般武艺解决这个难题。

第一步,俗话说眼见为实,如果能以高空间分辨率测量材料表面的局域电阻率,直接观测到导电的磁畴壁,岂不是已经成功了一半?于是斯坦福大学应用物理系的这几位在沈志勋教授的带领下,用独一无二的低温“微波阻抗显微镜 (Microwave Impedance Microscopy, or MIM)” 试着在液氦温度(-268℃,比绝对零度只高大约5度)扫描了东京大学合成的Nd2Ir2O7样品。

在零场冷却的样品表面,果真看到了形貌光滑,比背景导电的多的曲线。有趣的是,如果加热后再次零场冷却,这些曲线会随机的变成完全不同的样子 -- 这和磁畴壁的一般行为相符。更进一步,如果加热后在强磁场中冷却,这些曲线几乎完全消失 -- 这和从宏观电阻率得到的预期完全一致!这些直观的结果都指向一个结论:这些曲线很可能就是导电的磁畴壁。

【微波阻抗显微镜(MIM)的测量结果为”金属性磁畴壁“提供了强有力的直接证据。】

第二步是考察这些磁畴壁在磁场里的变化。由于样品是多晶,每个晶粒的晶体方向都不一样;如果外加一个均匀的外磁场,相对磁场方向(以某个特殊晶体方向为基准)在每个晶粒里都不一样,所以需要用x射线衍射确定每个晶粒的晶体方向。而晶粒只有不到10微米见方,普通的x射线衍射方法的空间分辨率根本不够。更困难的是,MIM扫描过的区域也只有头发的截面那么大,所以不管用什么技术测晶体方向,都必须如大海捞针一般准确找到这个区域。最后来自西安交大和劳伦斯伯克利国家实验室的两个科学家成功的用“先进光源(Advanced Light Source, or ALS)” 的微米级多波长x射线衍射显微镜(μXRD)攻克了这个难关,并且结合MIM的数据,说明磁畴壁对磁场的响应和从对称性出发得出的理论预期相符

 

XrayMeasurement

【用微米级多波长x射线衍射显微镜(μXRD)测量微波阻抗显微镜(MIM)测量过的区域,就是这么简单。】

第三步,在前两步得到的数据基础上,回到测电阻 -- 不过这一次直接测量这些微观磁畴壁的电阻。为了能直接接触一片完整的磁畴壁,斯坦福大学和上海微系统所的几位研究僧一头扎进超净间,在样品表面制作了1-2微米宽的电极。当横跨两个微小电极的磁畴壁一个接一个被磁场“抹杀”掉时,测出的电阻果然出现了不连续的、像阶梯一样的上升曲线。这些“阶梯”的高度直接给出了磁畴壁的平均二维电导率。最后,当只剩一片磁畴壁的时候,我们还可以研究它的温度响应 -- 结果不出预料地显示出近似金属的性质。

综合所有的数据,大家终于相信,第一个有着金属性磁畴壁的磁性绝缘体被发现了。撒花!鼓掌!但是有趣的研究其实才刚刚开始。为什么这个Nd2Ir2O7这么特殊?还有没有其他类似的材料?掺杂会有什么影响?磁畴壁导电的部分到底有多宽?不同方向的磁畴壁电导率一不一样?在更低温度下磁畴壁会不会变得超导?和之前理论预言的“Weyl半金属”有没有联系?相信只有实验和理论物理学家们通力合作才能解决这些问题,并最终为”Slater vs. Mott”的争论提供实质性进展。

(遥远)未来的应用价值

说到这你可能要问,和我有神马关系呢?目前确实关系不大,但是这个发现有一个很酷炫的潜在应用:高密度永久记忆存储介质。如果在未来造出了这样的存储介质,可能对你(的全息投影可穿戴式全能个人计算设备)有点影响。

FLASH存储(你的U盘,固态硬盘和手机里都是这个)正在快速替代传统磁盘成为主流永久记忆存储介质。然而FLASH也正在快速逼近其尺寸上的物理极限;这是半导体物理决定的,人类没有什么太好的办法。为了能打破这个极限,从而在不久的未来能继续让你的新手机(或者全息投影可穿戴式全能个人计算设备)储存空间更大、体积更小、更省电、更便宜,人们在努力寻找各种基于新的物理现象的永久记忆存储方法。

什么东西可以做记忆存储介质呢?其实,任何有两个状态,并且可以在这两个状态之间来回切换的东西都可以。如果这两个态都是稳定的,也就是说如果你不去主动切换就不会变(当然,只是在你关心的时间尺度上),那就可以做永久记忆储存介质。在电子器件里,这两个态一般是导电性的高低:一个态电阻低(0),一个态电阻高(1),这样电路的其他部分就可以通过测电阻来轻松“读”出储存的信息。FLASH通过一个类似平行板电容器的结构实现这个性质:如果一个极板上有电荷,相对的极板上也必须有(大小相等符号相反的)电荷;如果极板本身是半导体,这些额外的电荷会带来非常可观的导电性,从而大大降低其电阻。量子隧穿效应、掺杂原子间的有限距离等性质,决定了FLASH的尺寸极限。

那么问题来了:有导电磁畴壁的绝缘体怎么做记忆存储介质呢?小菜一碟:用两个电极测一小块这种材料的电阻,如果其中没有磁畴壁,或者磁畴壁没有同时接触两个电极,电阻会很大(1),因为材料本身是绝缘的;如果至少有一片磁畴壁同时接触两个电极,电阻会很小(0),因为磁畴壁是金属性的。问题解决。

【用有金属性磁畴壁的磁性绝缘体做永久记忆器件的原理。】

你可能要问这和传统磁盘有神马区别?最大的区别在于这里不用通过一个复杂的设备把磁信号转化成电信号(例如传统硬盘里的磁头)。因为磁和电是直接联系在一起的。所以理论上可以做成没有移动部件的固态器件,并且读取速度会很快。那么和FLASH比呢?好问题。答案是,因为不受半导体物理的限制,基于导电磁畴壁的记忆单元,没准可以比FLASH的存储单元更小。小多少呢?这个不好说,因为我们都还不知道磁畴壁导电的部分有多宽……另外,在合适的材料里,磁畴壁几乎可以永久存在,不像FLASH那样一般只能保持10年左右的记忆。

读到这里,如果你觉得这项发现离实际应用还有很远的样子,那么恭喜你,你的直觉很准确。其实目前最大的难题,是找到在室温也有类似现象的材料(Nd2Ir2O7只有在-240℃以下才有这个性质)。这与其说是个技术难题,不如说是个科学难题(想想高温超导体)。但是谁知道呢?

于是长文终于到结尾了。如果你一直读到这里,我强烈建议你读一读《科学》上的原始文章(http://science.sciencemag.org/content/350/6260/538)。有任何问题,请发邮件给 yuema@stanford.edu.

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6 Responses to “[科学圈圈坐2016]磁性绝缘体?反直觉的话就读文章吧”

  1. 方弦说道:

    如果是做信息载体的话,那就要考虑相变温度附近磁化时候要用什么样的磁场才能保证高概率做到有通电的磁畴壁吧,否则单靠percolation不太可靠……

    然后另外现在还没有机理解释么……

  2. 张哲说道:

    写的好

  3. 申成说道:

    这是我看到写的比较好的文章。

  4. 申成说道:

    有两个问题:第一地球磁场为什么没有影响到小磁场?第二实验中是否排除掉周边空间中的电磁场?

  5. 小赤尔多说道:

    写的真好,读的真爽

  6. 夏明说道:

    看完以后,半懂半不懂,看到可以存储信息后,本来在想怎么就能够存储的,然后往下看到接触电极时的1与没接触电极时的0时,又突然有种醍醐灌顶的感觉。可以说,作者也让我好膜拜,我也一样钟爱着物理学。薛定谔晚年时也是很着迷生命科学呢