一种构建计算机芯片的新方法有望大幅降低计算所需能耗，包括应对人工智能快速增长的需求。该进展的核心是一类称为多铁材料（multiferroics）的特殊材料，其电学与磁学性质可通过极低电压协同控制。

这类材料可使未来电子器件的能效显著高于当前技术。但一项主要障碍阻碍了其在传统计算机芯片中的应用。当多铁材料被减薄到足以集成入器件时，通常会失去使其具有价值的电学与磁学行为。科学家将这一问题称为死层效应（dead layer effect）。

布朗大学的研究人员现已开发出一种克服该限制的方法。其技术可制备极薄的铁酸铋（bismuth ferrite）薄膜，这是一种被广泛研究的多铁材料，且不牺牲其关键性质。该工艺还赋予材料新的磁特性，可能使其特别适用于未来电子器件。

布朗大学工程学助理教授、该工作负责人 Lucas Caretta 表示：“我们已经证明可以消除死层。我们表明，可以将这种材料减薄到任意厚度——低至几埃——同时它仍保持铁电性，也仍具有磁性。”

相关发现发表于期刊 Nature Materials。

电极化与磁性耦合可降低存储与逻辑能耗

多铁材料在计算领域受到关注的原因，是其电学与磁学性质之间的特殊关联。其原子结构由重复单元构成，正负电荷位于两侧，形成电极化（electrical polarization）。

施加小电压可反转该极化，从而切换正负电荷的位置。这提供了一种以极低电量将数字信息存储为二进制值（1 和 0）的潜在方式。

由于材料的磁行为与电极化相关联，存储的信息也可通过磁学方式读取。这种组合有望实现能耗显著低于现有技术的计算机存储与逻辑器件。

挑战在于将这些材料缩小到适用于实际器件的尺寸。现代计算机芯片要求极薄的层，但多铁材料在减薄到该尺度时通常无法正常工作。

两种独立效应导致这一失效。第一，材料的原子结构发生畸变，破坏其性质发挥作用所需的排列与化学环境。第二，内部电场干扰材料极化，直至其无法维持。两者共同破坏其铁电与磁行为，形成死层。

通过晶格失配与电场补偿消除死层

为解决该问题，布朗大学团队开发了一种制备铁酸铋薄膜的新方法。

研究人员将材料沉积在由钪酸镝（dysprosium scandate）构成的衬底上，这是一种由稀土元素形成的化合物。该底层材料的晶体结构尺寸略小于铁酸铋，从而在两者原子排列之间形成失配。

该失配使铁酸铋处于压缩应变下，有助于保持其电学与磁学性质完整所需的原子结构。

团队还引入第二金属层，用于抵消不需要的电场。通过阻止这些电场破坏材料的电极化，该附加层解决了死层效应的另一主要成因。

这些改变共同使铁酸铋薄膜即使在厚度降至几埃时仍保持多铁性质。

研究人员还发现了另一现象。该方法不仅保留了材料原有能力，还改善了其磁行为。

工程化薄膜呈现交错磁性（altermagnetism）

工程化层使铁酸铋呈现交错磁性（altermagnetism），这是一种特殊磁性形式，结合了两种更常见磁态的有用特征：铁磁性（ferromagnetism）与反铁磁性（antiferromagnetism）。

该发现对于开发更快、更紧凑的计算机组件可能尤为重要。

Caretta 表示：“铁磁体适用于存储与逻辑，因为它们产生易于读出的强磁信号。挑战在于其速度相对较慢，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。”

换言之，交错磁体提供了速度、紧凑性与可读信号的有价值组合。这些特性可帮助工程师构建高效运行且不存在传统磁性材料干扰问题的计算机组件。

在极薄多铁薄膜中实现这种磁行为的能力，使该发现对未来芯片设计尤其具有前景。

超薄多铁薄膜为低功耗AI计算提供材料路径

人工智能持续推高算力需求，开发耗电更少的硬件已成为日益重要的目标。

Caretta 认为，新发现可能有助于推动多铁材料在低功耗存储与计算器件中的实际应用。尽管该技术仍需进一步开发才能集成到商用芯片中，但研究表明，一项长期存在的材料限制可以被克服。

研究还表明，精心设计材料的原子环境不仅能保持其原有性质。在适当条件下，还可产生原始材料中不存在的有用行为。

Caretta 表示：“我们知道这些基本性质已存在于块体材料中。关键在于学会如何通过工程手段将其转化为有用的形式——有时甚至优于自然界赋予的形式。”