中国团队发现铁电材料新结构 将助力极限密度人工智能器件开发
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《麻豆》 中国团队发现铁电材料新结构 将助力极限密度人工智能器件开发
中新网北京1月23日电 (记者 孙自法)在当今物质科学和信息技术交叉融合前沿的铁电材料与畴壁研究领域，中国科学家团队最新研究发现一维带电畴壁新结构，补全了铁电物理的一块拼图，这不仅颠覆了人们对于畴壁结构的传统认知，也为开发具有极限密度的人工智能器件奠定重要科学基础。
这项物理学基础前沿的重要研究突破，由中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心金奎娟院士、葛琛研究员、张庆华副研究员联合团队共同完成，他们通过激光法成功创制自支撑萤石结构铁电薄膜，并利用先进的电子显微镜技术对薄膜中的一维带电畴壁进行原子尺度的观测和调控。北京时间1月23日凌晨，相关成果论文在国际学术期刊《科学》(Science)上线发表。
何为铁电材料
研究团队介绍说，在物质世界中存在一类特殊的晶体材料，其内部由许多微小的“电学指南针”组成，它们不是指向南北，而是指示正负电荷中心分离的方向，即自发极化的方向。物理学家称这种即使没有外部电场也自发地存在正负电荷分离且规则排列的材料为铁电材料。
本项研究的铁电“魔方”示意图。中国科学院物理研究所 供图
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像指南针能够吸引铁质金属一样，铁电材料中的这些“电学指南针”也能够吸引附近物质中的电荷。基于它们的这一特性，铁电材料在信息存储、传感、人工智能等领域都具有巨大的应用潜力。
出于降低系统能量的需求，铁电材料中的“电学指南针”并非全部指向同一极化方向，而是分成了极化方向一致的“铁电畴”和分隔不同铁电畴的“畴壁”。一块铁电材料就像一个魔方，当所有小方块颜色相同时魔方便是无畴壁的单一铁电畴；当不同颜色的小方块(即不同极化取向的铁电畴)组合在一起时它们的界面就是畴壁。
如果两个铁电畴的同一极拼在一起，它们之间的畴壁便会由于电荷聚集而难以稳定，需要一些特殊的“胶水”(即电荷补偿机制)将它们“粘”在一起。而也正是由于这些特殊“胶水”的存在，使得带电畴壁通常具有迥异于铁电畴的物理特性。科学家们据此提出畴壁纳米电子学，希望基于畴壁工程来大幅提升器件性能。
研究有何创新
研究团队指出，他们从2018年便开始萤石结构铁电材料的研究，进行材料制备上的创新。
研究过程中，利用激光分子束外延方法在基底上生长了仅十个晶胞层厚度、约5纳米的萤石结构铁电薄膜，结合电子显微技术能够在几十纳米区域内构建出理想的模型物理体系，由此创制的自支撑萤石铁电薄膜，成为开展新结构研究的良好材料平台。
随后，研究团队与合作者利用当前先进的电子显微学技术，实现对纳米薄膜晶体结构的全方位原子级观察，基本知晓了薄膜中每一个原子的具体位置。
本项研究的萤石结构铁电材料中的一维带电畴壁示意图。中国科学院物理研究所 供图
正是这些新材料和新方法，使研究团队能够发现一维带电畴壁这种新结构。
本项研究创新点是通过维度限制设计思路，在三维晶体里寻找到一维带电畴壁新结构，其意义主要体现为两个层面：
科学层面，研究结果打破了人们对于三维晶体中畴壁为本征二维结构的传统认知，阐明了萤石铁电体中极化切换与氧离子传输之间的内在耦合关系。
应用层面，埃级尺寸(约为人类头发直径的数十万分之一)的畴壁单元预期能极大地提升信息存储密度，通过在半个单胞内控制一维畴壁的写入、驱动和擦除，能实现模拟计算，为极限密度人工智能器件开发提供了科学基础。
如何转化应用
铁电材料与畴壁研究的核心在于通过对材料内部极化“开关”(铁电畴)及其边界(畴壁)的精确调控，来创造新一代高性能器件，以应对信息存储、人工智能、高端装备与前沿科技竞争等多方面的国家战略需求，尤其是铁电畴壁研究对人工智能硬件的革新潜力巨大。
研究团队表示，利用具有灵活电场可调性的畴壁单元，可在同一物理器件中实现高密度数据存储与类脑计算功能，为开发下一代高性能、低功耗的人工智能芯片提供核心材料解决方案。该方向前沿之一是如何构筑出极限尺寸的畴壁新结构，从而大幅提升器件存储密度和算力。
利用一维带电畴壁进行信息存储，预计将比当前的存储密度提高约几百倍——理论上可达每平方厘米约20太字节(TB)，相当于将1万部高清电影或20万段高清短视频存储在一张邮票大小的设备中。
同时，基于一维畴壁的人造神经突触不但将大幅提高器件密度，而且预计还将具有低功耗和易操控等优点。研究团队3年前制备的实验样品中仍能观察到畴壁稳定存在，这表明一维畴壁具有良好的稳定性。(完)
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