手機發熱耗電快？電腦燙手運行“卡”？銀行卡消磁不能用？
是不是很煩躁？
別擔心，這個北航人想到了釜底抽薪的辦法！
2018年3月《自然·電子學》封面
日前，國際知名學術期刊《自然》子刊《自然·電子學》（Nature Electronics）上發表了我校材料科學與工程學院劉知琪教授課題組研發的首個反鐵磁材料拓撲反常霍爾效應的電場門控器件成果（研究型文章）。
文章發表頁面截圖
咳咳，知道你們 沒 聽 懂……
不忙，先來了解一下《自然·電子學》。
我國在電子學領域的研究相對滯後。可以說，能登上《自然·電子學》的研究型文章，確實是鳳毛麟角 了！
那麼，這項名字超長的成果究竟是什麼？又怎麼解決發熱、消磁的問題呢？
我們生活在一個信息爆炸的時代，海量信息如何存儲？主要使用的是鐵磁材料。以不同磁性的正反兩極來代表電腦裡的0與1，起到數據存儲的作用，寫入數據實際上就是通過磁頭對硬盤碟片表面的非常小的磁性物質的磁極進行改變的過程。
生活中常見的磁盤存儲器
但這種方法有一個弊端：在使用電流產生磁場的過程中，會帶來大量無效焦耳熱。小小的手機、電腦會發熱；大數據、雲計算依賴數量巨大的服務器，產熱更高，因散熱帶來的能耗也更大。更別提“消磁”帶來的數據丟失了。
既然鐵磁材料有發熱的弊端，又存在消磁的風險，我們能不能換種材料呢？
劉知琪說：可以啊！
他選擇了反鐵磁薄膜材料並結合壓電陶瓷BaTiO3單晶基片。壓電陶瓷存在一種“神奇”的壓電效應，能把壓力轉化為電，對其外加電場時又會產生
形變。
一些壓電陶瓷材料
利用這種特性，劉知琪和團隊在BaTiO3單晶基片上製備出了高質量的非共線反鐵磁金屬間化合物Mn3Pt的外延單晶薄膜，其電阻態會隨形變而改變。把不同的電阻態標記為0和1，即可實現數據存儲。
而由於壓電陶瓷絕緣性好，施加在其上的電場產生的電流可以忽略不計，其
能耗較傳統的鐵磁材料會低3-4個數量級，也就是原來的1/1000~1/10000！這下，手機發熱、電腦卡頓、磁卡消磁，都不是事兒！
激動人心！但這還不夠。
咱北航人，始終把浩渺宇宙裝在胸中！
劉知琪說，這種反鐵磁的薄膜材料，還是強磁場星球探索的利器。
經典電影《星球大戰》《星際迷航》中對太空的探索、對科技的追求，令無數科幻迷神往。自古至今，人類始終對地外探索孜孜以求。我國計劃在2020年發射火星探測器，3月10日剛宣佈完成氣動設計。SpaceX甚至啟動了火星移民計劃。
電影《火星救援》描繪了人類在火星上的生存圖景
但木星的探測就困難重重。2016年，朱諾號探測器成功進入木星軌道，它面臨著強磁場及輻射的巨大挑戰。
而劉知琪團隊研發的反鐵磁的薄膜材料，能用於惡劣磁場環境下的信息存儲與處理，在探索木星、中子星等強磁場星球的宇航飛行器中，能發揮巨大的作用！
還記得去年“引力波”刷過一次屏嗎？正是人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波。
圖為藝術家想象的雙中子星合併時發生的猛烈爆炸。扭曲的時空網象徵著爆炸發出的引力波，上下兩道光柱代表的是在發出引力波僅幾秒鐘後會噴射出的伽馬射線。
厲害了！難怪《自然·電子學》專題報道中要說，這項研究在反鐵磁自旋電子學發展中邁出了重要的一步。
兩會前夕，CCTV《新聞直播間》報道了北航青年“海歸”人才劉知琪教授和宮勇吉教授。
劉知琪介紹了這項成果：
為北航青年人才喝彩！
下面，小萱奉上對這項研究成果的嚴肅介紹。
高端玩家，你們盡情秀智商的時刻到了！
普通玩家可以和小萱一樣假裝看懂了……
非共線反鐵磁材料中的反常霍爾效應示意圖
多年來，反鐵磁材料由於沒有宏觀磁性，在現代磁存儲的磁頭結構中起著釘紮鐵磁材料磁化方向的輔助作用。隨著近年來人們對反鐵磁材料的深入研究，反鐵磁自旋電子學逐漸成為一門前沿學科，例如，利用反鐵磁材料中自旋-軌道耦合相關的各向異性磁電阻效應，可將其應用於記憶存儲器件，其最大的優點包括可以有效抵抗外界零散磁場干擾以及內稟自旋高頻動力學特性。此外，理論研究發現一些非共線的反鐵磁材料由於特殊對稱性和布洛赫能帶的拓撲特徵會呈現出原來只有在鐵磁材料中才有的反常霍爾效應，可以簡單理解為，無需外加磁場，非共線的自旋結構就能夠將材料中的電子和空穴進行分離從而產生垂直於電流方向的霍爾電壓。
北京航空航天大學材料科學與工程學院劉知琪教授課題組在壓電陶瓷BaTiO3單晶基片上製備出了高質量的非共線反鐵磁金屬間化合物Mn3Pt [圖(a)]的外延單晶薄膜，並在其中觀測到了很大的室溫拓撲反常霍爾效應。在此基礎上，實驗團隊進一步在壓電陶瓷BaTiO3基片上施加電場[圖(c)]來使其產生壓電形變以帶動上面的Mn3Pt薄膜的晶體結構發生形變，從而可以將Mn3Pt自旋結構在共線和非共線之間來回轉換，相應地，拓撲反常霍爾效應也隨之消失或出現[圖(d)]。這樣一來，就實現了外加電場對反鐵磁材料的拓撲反常霍爾效應的“開”“關”調控，尤其是零磁場下的調控非常有利於實際應用。
(a)Mn3Pt合金的晶體和自旋結構示意圖，藍色球為Mn原子，灰色球為Pt原子。(b)反常霍爾電阻隨外加磁場的變化。(c)電場門控示意圖。（d）電場對反常霍爾效應的“開”“關”調控。
由於壓電陶瓷是非常好的絕緣體，施加在BaTiO3的電場在其中產生的電流非常小，可以忽略不計，因此通過這種方式對信息存儲進行編碼可以有效地避免焦耳熱，從而極大降低信息存儲過程中的能耗。此外，此項工作中利用電場對反鐵磁材料電阻態的調控可以用於信息存儲器件，它可以抗外界磁場干擾，並且耗能非常低，不發熱。不僅可以用於日常生活的信息存儲，還能應用於惡劣磁場環境下的信息存儲與處理，如探索木星、中子星等強磁場星球的宇航飛行器中。
Christoph Sürgers教授文章截圖
北航參與此研究的人員包括材料科學與工程學院蔣成保教授、王敬民副教授、劉敬華博士、研究生馮澤鑫和閆晗。此外，我校“外專千人”、國際著名磁學專家J. M. D. Coey教授對此工作也給予了指導。理論工作由美國科羅拉多州立大學陳鏵教授和德克薩斯大學奧斯汀分校Allan H. MacDonald教授完成，對實驗觀察進行了很好的物理解釋。
該項研究得到了國家自然科學基金和北京航空航天大學青年拔尖人才計劃的資助。
出品 | 航小萱工作室
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