研究人员克服了一个长期障碍，该障碍一直阻止有前景的材料用于超低功耗计算机芯片。

一类有前景的材料有望大幅降低计算所需电能，但一个持续存在的问题使其无法进入计算机芯片。当这些材料被制备得足够薄以适配现代电子器件时，使其具有价值的电学与磁学性质可能消失。

布朗大学的研究人员现已开发出一种克服该限制的方法。他们的技术可制备超薄铁酸铋（bismuth ferrite）薄膜，该薄膜保持其关键性质，并形成一种额外形式的磁性，对未来计算器件具有潜在优势。研究结果发表于 Nature Materials。

有前景的材料在微缩尺度下失效的原因

铁酸铋属于一类称为多铁材料（multiferroics）的材料，其电学与磁学性质相互关联。在其晶体结构中，正负电荷沿相反方向位移，形成电极化。施加小电压可反转该极化，从而允许信息以二进制数据（1 和 0）存储。由于电学态与磁学态相互关联，所存储的信息也可通过磁学方式读取，从而有望实现功耗远低的存储与逻辑器件。

障碍是一种称为死层（dead layer）效应的现象。当多铁薄膜变得极薄时，其原子结构与化学环境可能发生足够大的变化，从而破坏其功能。与此同时，内部电场可能使其极化失稳。这些效应共同作用，可能消除电子应用所需的铁电与磁学行为。

新方法消除死层效应

布朗团队通过精心设计铁酸铋周围的层结构来解决这两个问题。首先，他们在钪酸镝（dysprosium scandate）上生长该材料；钪酸镝是一种稀土基晶体衬底，其晶格间距小于铁酸铋。晶格失配使薄膜处于压应变下，有助于保持其电学与磁学性质所需的原子排列。

研究人员还引入金属层以屏蔽不需要的电场，防止其破坏薄膜极化的稳定性。在两种效应均受控的情况下，铁酸铋即使在仅几埃的厚度下仍保持功能。一埃约等于四十亿分之一英寸。

“我们已经证明可以消除死层，”领导该工作的布朗大学工程学助理教授 Lucas Caretta 表示，“我们表明，这种材料基本可以按需减薄——薄至几埃——同时仍保持铁电性，并仍具有磁性。”

一种意外磁性有望改善未来芯片

除保持材料原有性质外，工程化结构还增强了其磁学行为。研究人员证明，该薄膜表现出交错磁性（altermagnetism），这种磁态的特征有望克服传统磁性材料的一些限制。

“铁磁体（ferromagnets）可用于存储与逻辑，因为它们产生易于读出的强磁信号，”Caretta 表示，“挑战在于它们相对较慢，且杂散磁场使器件难以在芯片上高密度集成而不产生干扰。反铁磁体（antiferromagnets）可运行得更快并避免这些杂散场，但其信号更难检测。交错磁体（altermagnets）在某种程度上兼具两者优势——速度快、可高密度集成，同时仍能提供用于读出的强电信号。”

这些特征最终有望支持更快、更密集封装的电子元件，同时降低能耗。尽管研究人员展示的是材料性质而非完整的计算器件，但该技术解决了将多铁材料引入实用芯片的一项主要障碍，尤其是在人工智能推高算力需求的情况下。

“我们知道这些基础性质已存在于体材料中，”Caretta 表示，“关键在于学习如何将它们工程化为有用的形式——有时甚至优于自然界赋予我们的形式。”

参考文献：Geo Fratian, Maya Ramesh, Xinyan Li, Evangelos Golias, Yousra Nahas, Sebastian Maria Ulrich Schultheis, Julian Skolaut, Marti Checa, Arundhati Ghosal, Evan Krysko, Paul Malinowski, Brendan D. Faeth, Jan Priessnitz, F. C. Fobasso Mbognou, Atsushi Hariki, Kosuke Sakurai, Mizuki Furo, Shashank Kumar Ojha, Morgan Congdon, Shiyu Zhou, Alexander Qualls, Kai Litzius, Christoph Klewe, Peter Meisenheimer, Jan Kuneš, Kyle Shen, Laurent Bellaiche, Libor Šmejkal, Darrell G. Schlom, Yimo Han, Sergei Prokhorenko, Ramamoorthy Ramesh, Paul Stevenson, Angela Wittmann and Lucas Caretta, “Altermagnetic signatures and topological textures in ultrathin multiferroic BiFeO3,” Nature Materials, 28 October 2026. DOI: 10.1038/s41563-026-02786-1