非易失信息存储迎来新手段：南大团队实现铁转序的电控翻转，研发基于圆偏振拉曼散射的实验方法-世界简讯

在百家姓中，“奚”是十分罕见的姓氏，同时也是一个有着悠久历史的姓氏。在中国古代，有着“大禹治水，奚仲造车”的典故。据《滕县志》记载，夏朝的奚仲发明了两轮马车，促进了交通运输的发展，并为大禹治水立下大功，奚仲也因此被后人尊为造车鼻祖。

在当代，“奚”仍然是一个稀有姓氏。然而巧合的是，如今的科技圈也有一名奚姓科学家，他就是南京大学物理学院的奚啸翔教授。

(相关资料图)

图 | 奚啸翔（来源：奚啸翔）

南京大学也是奚啸翔的母校。2007 年，从南大毕业之后，他来到美国佛罗里达大学物理系攻读博士，之后在美国布鲁克海文国家实验从事博后研究。

2014 年，奚啸翔开始在美国宾夕法尼亚州立大学担任助理研究员。2016 年，他回国正式加入南京大学。

他表示：“我的母校南京大学在物理领域有着优秀传统和突出的发展势头。为其更进一步的发展作出贡献，是我作为青年学者的责任。此外，我的家人都在国内。因此，选择回到国内、回到母校，在施展特长、追逐理想的同时，也能很好地承担所肩负的责任。”

目前，实验凝聚态物理是奚啸翔的主攻方向。在近期一项工作中，他和合作者对一种新型铁性材料进行了研究。

所谓铁性，指的是材料中的某种性质呈现出高度有序的排列，并且通过与特定外场发生作用，可以实现不同取向态之间的可控翻转。

磁铁就是一种最常见的铁性材料，具有铁磁序。其原子的磁矩呈现出一种高度有序的状态，就好像每个原子都携带一个微型指南针，而这些“指针”都指向同一方向（下图左）。

图 | 铁磁序与磁场控制磁矩翻转示意图（来源：奚啸翔）

这种奇妙的高度有序的状态，来自于材料内部巨量原子的自发性集体行为。单个微型“指针”所产生的物理效应微乎其微，但是当所有的原子团结一致，将它们的“指针”指向同一方向时，就能表现出宏观的磁性。位列中国“四大发明”之一的指南针，正是由这样的铁磁材料构成的。

指南针可以调整指向，与地磁场的方向保持重合。这意味着磁场与铁磁序发生了相互作用。

事实上，铁磁材料中的微型“指针”可以一致朝上或者朝下，通过与磁场的耦合可以实现这两种取向态之间的翻转（上图右）。正是基于铁磁材料的这一性质，人们实现了电脑硬盘的数据存储功能。

除了铁磁材料，铁性材料的其他典型案例，还包括铁电材料和铁弹材料，它们在信息存储、能量转换和传感等方面具有广泛的应用。如今，针对铁性序的研究已经成为凝聚态物理的重要分支。

除了这些已经被确认的铁性序，是否存在其他类型的铁性序？针对这一问题，奚啸翔课题组本次研究的正是一种新型铁性序，它被叫做铁转序。

铁转序的基本特征是：某种形式的微观旋转，在材料中以高度有序的方式排列，形成了宏观的有序态。简单来说，它存在两种稳定的取向态，分别对应于微观的顺时针旋转和逆时针旋转（下图）。

图 | 铁转序与畴壁示意图（来源：Nature Physics）

这就要求材料中的所有原子必须通力合作，一致地排列出微观扭曲但是宏观有序的“队形”。

此前，当铁转序的理论被提出之后，由于无法跟常见的外场例如磁场和电场发生耦合，导致实验研究充满挑战。

直到 2020 年，才出现了相关报道，证明这种有序态是可以被探测的。然而，实现其取向态的可控翻转，是领域内公认的难题。而解决这一问题，不仅是证明铁转序属于铁性序的重要一环，更是将其付诸应用的前提。

之前，受到铁磁等铁性材料研究的影响，人们认为要想翻转铁转取向态，必须找到能与铁转序耦合的外场。

而奚啸翔团队发现这并非唯一途径，即取向态的翻转也可以依靠畴壁的运动来实现。

当材料中的不同区域同时存在两种取向态时，两个区域之间的界限被称为畴壁（上图）。若能推动这一界限的移动，就能实现两种取向态之间的相互转换。这就好比一副多米诺骨牌原先全部倒向左边，从最左边开始扶起一张骨牌往右推，可以产生连锁反应，从而让所有骨牌都逐个倒向右侧。

骨牌全部往左或全部往右倒下，对应于两种取向态。而在翻转的过程中，临时处于直立状态的骨牌，则对应于畴壁的位置。

值得强调的是，他们使用电场实现了铁转畴壁的运动，而此前人们认为电场并不能与铁转序本身发生耦合，因此忽略了这一方案。

可以说，这项工作以一种出人意料但又合乎情理的方式，实现了铁转序的可控翻转。

而这不仅可以推进铁转序的研究，对于操控其他铁性序也具有参考价值。

日前，相关论文以《纳米厚 1T-TaS₂晶体中铁转序的电控翻转》（Electrical switching of ferro-rotational order in nanometre-thick 1T-TaS2 crystals）为题发在 Nature Nanotechnology上[1]，刘敢是第一作者，以色列魏茨曼科学研究所教授颜丙海、南京大学教授奚啸翔担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Nanotechnology）

以学界目前对于铁转序的研究和理解来看，本次成果最有可能用于非易失信息存储。其中，铁转序的两种不同的取向态，可以对应于二进制中的 0 和 1。

另外，本次工作也证明在室温下通过若干伏的直流电压，可以实现信息的写入，并能通过光学方式对信息进行读取。

但就实现信息存储功能而言，目前光学读取的方式限制了操作的速度，因此相比铁磁等其他铁性材料，优势还不够明显。

因此作为一类新型铁性材料，铁转材料在实用性方面尚需进一步挖掘，以便实现其他铁性材料所不具备的特殊应用。

而本次课题的渊源要从两年前讲起。2021 年，在一次学术会议上，奚啸翔在与上海科技大学柳仲楷教授讨论之后，开始对 1T 相二硫化钽这一材料体系产生兴趣。彼时，柳仲楷团队已经获得详实的实验数据，并发现上述材料中的手性特征，可以在电子能带上有所体现。

会议结束之后，通过使用柳仲楷提供的样品，奚啸翔团队立即开始寻找手性特征在光学响应上的体现。最终在 2022 年，双方在 Physical Review Letters 上联合发表一篇论文[2]。基于这篇论文中的光学方法，奚啸翔课题组开展了本次研究。

对于本次课题奚啸翔想到的思路是：通过电学方式实现手性的翻转，并且需要结合升降温的方式来操作。

事实上，这种想法更多出于一种直觉。不过多数时候，直觉并不能被实验证实。但是这次偶然的凑效，也让奚啸翔格外难忘。

他说：“我记得非常清楚，第一次尝试是在 2021 年国庆节前一晚。我当时的硕士研究生何宽鱼刚刚做好第一个器件，决定留在实验室做完初步尝试之后再开始休假。”

当晚十点多，何宽鱼把数据发给奚啸翔，数据显示课题组的预期目标已经达到。

奚啸翔继续说道：“但我们还是按捺住兴奋，又把测量仔细地重复了几遍。其实，假如我们一开始就对铁转序有着充分的了解，也知道了它无法与电场耦合，那么应该不会认为这是一种可行的方案。这大概也是审稿人认为我们的发现让人意外的原因。而恰恰是我们的‘无知’鼓励着我们去采取一种不被常理认可的方案。”

当然，无知的代价则是他们在实验中走了不少弯路。整个实验累计耗时一年多之久，并由四位研究生接力合作完成。

整个过程也是几经曲折。如前所述，本次课题的出发点基于此前建立的一套灵敏探测平面手性的实验方法。平面手性与铁转序，是密切相关的两个概念。但他们起初并未意识到这一点，而是仅仅把注意力放在平面手性上。

当时他们认为，既然可以探测到两种手性态，就可以尝试通过电场让它们之间发生转换，并实时监测状态的变化。初步结合电场与升降温操作进行尝试，获得了不错的效果。

期间，该团队提出一个简单的模型，以用于考量手性态与电场的耦合。然而，后来发现该模型存在明显的错误。

但是，基于该模型的思考，促使他们挖掘出另一种调控途径，从而在恒温条件之下就能实现手性翻转。至此，清晰且完整的实验数据全部就位。借助两种不同的途径，课题组展示了手性态的电控翻转。

图 | 铁转序的室温电控翻转（来源：Nature Nanotechnology）

接着，他们推翻了上述模型，并试图找到关于物理机制的合理解释。又经过一番调研与分析，他们意识到其实已经意外实现了铁转序的电控翻转。而两种不同手性的状态，恰好对应着铁转序的两种取向态。

在铁性序的框架之下，也让他们对成果意义有了更深刻的理解。为了深入挖掘电学调控的物理机制，课题组与合作者开展了几轮讨论，最终提出一项可能的解释，并将其展示在论文里。

针对本次所发展的方法，他们计划将其用于更多材料之中。一方面希望能够发现更多的铁转材料，另一方面期待可以检验通过电场以及其他外场实现铁转序可控翻转的普适性。

已有理论预言称，铁转序会导致一系列新奇的物理效应，例如在外场作用下会产生多种类似于霍尔效应的横向响应。因此，在实验中实现这些效应，将是非常有意义的研究方向。

参考资料：

1.Liu, G., Qiu, T., He, K.et al.Electrical switching of ferro-rotational order in nanometre-thick 1T-TaS2crystals.Nat. Nanotechnol.(2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01403-5

2.H. F. Yang, K. Y. He, J. Koo et al. Visualization of chiral electronic structure and anomalous optical response in a material with chiral charge density waves. Phys. Rev. Lett. 129, 156401 (2022)

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