磁性绝缘体？反直觉的话就读文章吧

编者按:本文作者，斯坦福大学应用物理系博士生马跃，于2015年10月30日作为第一作者在《科学》杂志上发表了一篇文章，并联系了科学松鼠会，希望向国内读者详细介绍这篇文章背后的有趣知识。科学界在2016年抓住机会推出...

感谢马跃在他的第一篇科学论文中所做的巨大努力。感谢猛犸对文章第二稿的详细建议。谢谢你，艾薇·郭，为我们的合作提供了便利。当她遇到科学松鼠俱乐部时，她正处于完成学业和进入职场的阶段。她刚刚完成了穿越美国的壮举。现在，她是艾飞昌国际教育咨询公司的创始人兼首席执行官。

在文章开始之前，先看看马跃的介绍:

我的名字叫马跃(埃里克，在美国)，我是斯坦福大学应用物理系沈志勋教授小组N年级的博士生。学习物理始于高中，是为了参加物理竞赛。我意外地赢得了一个奖项，并在没有特殊理解的情况下把自己卖给了北京大学物理学院。然而，物理学一旦学会就很容易上瘾，因为它经常会导致一种良好的自我感觉，即“了解宇宙的一般规律”。实际情况真的不是很糟糕(在《自然》和《科学》周刊上的文章基本上可以理解一个大概的想法)。然而，在硅谷，每天都经历着互联网创业潮的冲刷，不可避免地会不时地想知道自己研究的实验凝聚态物理能否最有效地为社会创造价值，为自己制造饭票。除了物理，我从小就对生物非常感兴趣:别人的孩子在踢足球和玩街机游戏，但我却趴在地上看蚂蚁。我可以看一下午。这种兴趣增加了，而不是减少了，所以与科学研究无关的生物物理学课程经常被选择。最近，人工智能和虚拟现实被发现非常有趣，应该有很大的科研潜力。展望未来，我认为用大数据流研究一些与电传输或光学相关的酷生物物理问题是可能的——如果你那时还没有转而为米票编码的话。

那时候，我在北京大学的山鹰俱乐部玩得很开心，所以我仍然喜欢去户外，爬山，钓鱼和虐待自己。每次回来，我都更加珍惜来之不易的文明生活。另一个大爱好是玩游戏，从《红色警戒95》到《巫师:野外狩猎》，他目前正期待着第一部虚拟现实杰作，经常感叹现在的孩子们有多快乐。最近，我突然意识到人文和社会科学实际上很有趣(也很重要)，所以我没有做任何事情来补充政治和经济史。

总之，我的人生评估离不开科学。既然我想成为一名科学家，我希望我能成为一名好科学家，不仅能学习科学，还能传播科学，为社会服务——说到传播好的科学，目前中国的科学界还没有更可靠的科学松鼠，所以我一直认为给科学松鼠写点什么是一种荣誉。

[@沙斯塔山。如果做实验就像爬山，我想我主要是在雾天/暴风雪天爬山——能够清楚地看到山峰(实验目标)是很不奢侈的。】

以下是文本。手绘是马跃完成的(我不知道什么比Ent的更好)。

来自斯坦福大学、劳伦斯伯克利国家实验室、东京大学、理研所、中国Xi交通大学和上海微系统研究所的科学家最近发现了第一个具有金属磁畴壁的磁绝缘体。该结果发表在2015年10月30日的《科学》杂志上。

基于扫描电镜照片的金属畴壁[效应图。科学杂志封面的竞标失败。】

除了一个听起来很酷的名字之外，这项研究不仅为一个已经在理论上争论了半个世纪的问题提供了第一个实验证据，而且可能成为未来存储媒体的基础，悄悄地影响我们的日常生活——所以最好现在就去理解它。

什么是磁绝缘体从导电性能的角度来看，固体可以大致分为三类:金属、半导体和绝缘体。其中，纯半导体和绝缘体之间没有本质的区别:随着温度的降低，两者的导电性都将迅速恶化(电阻率增加)，理论上，当接近绝对零度时，两者都将完全绝缘。与此形成鲜明对比的是金属:金属的导电性对温度变化不敏感，而且在低温下仍然非常好。

[把普通金属和绝缘体的电导率(电阻率)简化为绝对温度的函数。】

鉴于材料的化学组成和晶体结构，从理论上预测材料是金属还是非金属是固体物理学中最重要的研究课题之一。这个问题类似于“三体”问题，这个问题看起来简单，但实际上非常复杂:虽然我们知道整个系统的精确动力学方程，即薛定谔方程，但材料中有太多的电子和原子核(大约每立方厘米1023个电子)，每个带负电的电子被所有其他电子排斥，并被所有带正电的原子核吸引，而且变量太多，因此没有希望解决这个方程。

所以物理学家做出了一个非常大胆的假设:完全忽略电子之间的排斥，以大大简化计算。这种看似大胆的“近似”实际上有着意想不到的好效果，可以准确预测大量材料的性质。

然而，用这种方法计算出来的一些本应是金属的材料在低温下实际上变成了半导体/绝缘体——这些大多是不可忽视的电子相互排斥的例子(这些材料中的大部分在室温下会还原成金属，因此它们在日常生活中不常使用)。1951年，美国物理学家约翰·斯莱特用平均场近似法来处理电子之间的排斥，发现不仅绝缘体而且磁性也获得了:当电子之间的排斥足够大且温度足够低时，电子更愿意待在原子核附近而不是四处游荡，因此在高温下导电的材料就绝缘了。同时，因为电子是费米子——满足泡利不相容原理，这意味着什么？这意味着它们的自旋也以某种方式排列——结果就是磁性。科学家将这些仅在低温下存在的磁性绝缘体命名为斯莱特绝缘体。

[具有“金属-绝缘体相变”的材料是临界温度以上的非磁性金属，由于电子之间的相互排斥(小箭头表示电子自旋)，它在临界温度以下变成了磁性绝缘体。】

后来，每个人都觉得平均场理论对某些具有异常强电子排斥力的材料来说不够精确，所以有必要真正考虑每对电子之间的排斥力，也就是说，面对可怕的未解方程，这是不容易谈论的！因此，人们不得不进行其他简化/假设，并且经常*使用物理图像而不是数学。这种绝缘体叫做莫特绝缘体。与斯莱特绝缘体不同，莫特绝缘体理论上可以是非磁性的。

这里应该强调的是，斯莱特和莫特归根结底都是理论模型。对于哪种模型更适合描述低温下实验观察到的“磁绝缘体”，存在不同的看法。

什么是磁畴壁以及为什么它导电(理论上)在磁性材料中会有“磁畴”和“磁畴壁”。例如，一个普通的磁铁可以被看作是许多微小磁针(磁矩)的集合。这些小磁针的南极都面向一个方向，所以大磁铁的南极也面向同一个方向。如果你把磁铁加热到足够热，小针将开始随机旋转，磁铁将失去宏观磁性。

如果在有外部磁场的地方冷却磁体，小磁针通常会自发地沿着外部磁场的方向排列，从而降低磁体的宏观磁性。然而，如果磁铁在没有外部磁场的情况下被冷却，这些微小的磁针仍希望回到整齐排列的状态，但它们将面临一个艰难的选择:南极会转向左边、右边还是任何其他方向？毕竟，在没有外部磁场的情况下，所有方向都是等效的。最后，不同位置的小磁针会随机选择一个方向，这样，原来的整个磁铁就变成了许多磁场方向随机的小磁铁的集合。

由每个内部小磁针的排列方向限定的区域称为磁畴。这些域名的大小从几纳米到几毫米甚至更大——这些人把信息存储在你的磁条信用卡和传统磁盘上。值得一提的是，由于磁畴形成过程的随机性，如果再次执行加热+零场冷却，所获得的磁畴通常是不同的(如果你不相信，试试你的硬盘)。

相邻磁畴之间的边界称为磁畴壁:磁畴壁附近的小磁针从一种排列过渡到另一种排列，因此可以说磁畴壁处的磁性受到“干扰”。

[当一块磁性材料被加热到磁转变温度以上后，在零磁场下冷却通常会形成许多磁畴和畴壁；在强磁场下冷却可以恢复宏观磁性，其方向将由施加的磁场和磁体的几何形状决定。】

磁性绝缘体中也存在磁畴和畴壁。由于这些材料中电磁特性的耦合，磁畴壁理论上可能变得导电。例如，在板岩绝缘体模型中，磁性和绝缘基本上成对出现，因此由于磁性在磁畴壁处受到干扰，绝缘将自然受到干扰，因此磁畴壁应该变回金属。这种计算非常简单，在大多数情况下，数值结果也支持这种物理图像。

莫特绝缘体要复杂得多:一些人认为电子之间的排斥在这种绝缘体中起着绝对重要的作用。如果磁性存在，它只是一种副产品，所以无论磁性是否受到干扰，材料都应该保持绝缘，因此磁畴壁一般不应该变成金属。然而，这个计算非常困难，好像没有人实际计算过它。

以上这些理论讨论只有与实验观察相结合才有意义。然而，这些磁畴壁也很难研究。在数百种磁绝缘体材料中，直到2015年才有确凿的证据表明，即使是特定的材料也有金属磁畴壁。所以每个人都开始打架，扣上彼此的斯莱特和莫特帽子。

对金属磁畴壁的第一次实验观察表明，Nd2Ir2O7是具有金属-绝缘体相变的氧化物。它在室温下是一种非磁性金属，当冷却到-240℃(绝对温度33开尔文)以下时，它就变成了一种磁性绝缘体。2014年，科学家发现这种材料有一个非常特殊的特性:如果你将一小块这种材料加热到临界温度以上，并在强磁场中冷却，它将变成一个普通的磁性绝缘体，随着温度的降低，它的导电性将迅速恶化。然而，如果它在零磁场中冷却，它将传导更多的电流，并且在极低的温度下不会完全绝缘。

[对于相同的Nd2Ir2O7样品，零场冷却比强场冷却更具传导性，这表明磁畴壁可能是金属的。】

这是为什么？对于同一个样品，强场冷却和零场冷却的本质区别是什么？从上面普通磁体的例子中，我们知道在零磁场中冷却会形成许多磁畴，并且在磁畴之间会有许多磁畴壁。因此，如果磁畴本身是绝缘的并且磁畴壁实际上是导电的，上述现象可以解释。Nd2Ir2O7是第一个发现金属磁畴壁的磁绝缘体吗？你相信吗？很遗憾，科学家们不能这么容易得出结论:有这么多“如果”，为什么是这个？

宏观电阻率的光学测量似乎还不够。我该怎么办？幸运的是，这是科学研究国际化的互联网时代。只要你给世界各地的科学家们发几封邮件，如果对方感兴趣，你就可以立即开始国际合作！很快，一群来自世界各地的科学家聚集在一起，开始用他们的18项技能来解决这个难题。

俗话说，第一步，眼见为实。如果我们能以高空间分辨率测量材料表面的局部电阻率，并直接观察导电磁畴壁，岂不是成功了一半？在沈志勋教授的领导下，这些来自斯坦福大学应用物理系的科学家使用一种独特的低温“微波阻抗显微术”(或MIM)扫描由东京大学在液氦温度(-268℃，仅比绝对零度高约5度)下合成的Nd2Ir2O7样品。

在零场冷却样品的表面，实际上可以看到一条光滑的曲线，其电导率比背景高得多。有趣的是，如果加热后零场冷却再次发生，这些曲线将随机改变成完全不同的形状——这与磁畴壁的一般行为是一致的。此外，如果在强磁场中加热和冷却，这些曲线将几乎完全消失——这与宏观电阻率的预期完全一致！这些直观的结果都表明，这些曲线可能是导电的畴壁。

[微波阻抗显微镜的测量结果为“金属磁畴壁”提供了有力的直接证据。】

第二步是研究这些磁畴壁在磁场中的变化。由于样品是多晶的，每个晶粒的晶向是不同的；如果施加均匀的外部磁场，每个晶粒中的相对磁场方向(基于特定的晶体方向)是不同的，因此需要X射线衍射来确定每个晶粒的晶体方向。然而，晶粒尺寸小于10微米见方，普通的X射线衍射方法的空间分辨率不够。更困难的是，MIM扫描的区域只有头发的横截面那么大，所以不管用什么技术来测量晶体的方向，这个区域都必须像大海捞针一样找到。最后，来自Xi交通大学和劳伦斯伯克利国家实验室的两位科学家成功地用“先进光源”微米级多波长X射线衍射显微镜克服了这一困难。结合MIM数据，表明磁畴壁对磁场的响应与对称性的理论预期一致。

[:用微米级多波长X射线衍射显微镜(μXRD)测量微波阻抗显微镜(MIM)测量的面积就这么简单。】

第三步是根据前两步获得的数据重新测量电阻，但这一次，直接测量这些微观磁畴壁的电阻。为了直接接触完整的磁畴壁，来自斯坦福大学和上海微系统研究所的几名僧侣潜入超净室，在样品表面制作了2微米宽的电极。当穿过两个微小电极的磁畴壁被磁场一个接一个地“擦除”时，测得的电阻确实显示出不连续的、梯形的上升曲线。这些“台阶”的高度直接给出磁畴壁的平均二维电导率。最后，当只剩下一片磁畴壁时，我们还可以研究它的温度响应——结果出人意料地显示出与金属相似的性质。

基于所有的数据，我们最终相信已经发现了第一个具有金属磁畴壁的磁绝缘体。传播鲜花！掌声！但是有趣的研究才刚刚开始。为什么Nd2Ir2O7如此特别？还有其他类似的材料吗？兴奋剂有什么作用？磁畴壁的导电部分有多宽？磁畴壁的电导率在不同的方向上不同吗？畴壁会在低温下变成超导的吗？先前的理论预测与韦利半金属有什么联系吗？相信只有实验物理学家和理论物理学家的合作才能解决这些问题，并最终为“斯莱特对莫特”的争论提供实质性的进展。

(远程)未来应用价值说到这，你可能会问，这和我有什么关系？目前这并不重要，但这一发现有一个很酷的潜在应用:高密度永久存储介质。如果这种存储媒体是在未来建立的，它可能会对你有一些影响。

闪存(存在于你的u盘、固态硬盘和手机中)正迅速取代传统磁盘成为主流的永久存储介质。然而，闪存的大小也正在迅速接近其物理极限。这是由半导体物理学决定的。人类没有好的方法。为了打破这一限制，使您的新手机(或全息投影可穿戴通用个人计算设备)在不久的将来能够继续具有更大的存储空间、更小的体积、更低的功耗和更低的成本，人们正在尝试寻找基于新的物理现象的各种永久存储方法。

什么可以用作存储介质？事实上，任何具有两种状态并且可以在两种状态之间来回切换的东西都可以使用。如果这两种状态都是稳定的，也就是说，如果你不主动切换，它就不会改变(当然，只有在你所关心的时间尺度上)，那么你就可以作为一种永久的记忆存储介质。在电子设备中，这两种状态通常具有高导电性和低导电性:一种状态具有低电阻(0)，一种状态具有高电阻(1)，因此电路的其他部分可以通过测量电阻容易地“读取”存储的信息。闪存通过类似平行板电容器的结构实现这一特性:如果一块板有电荷，另一块板也必须有电荷(大小相等，符号相反)；如果极板本身是半导体，这些额外的电荷将带来非常可观的导电性，从而大大降低其电阻。量子隧道效应和掺杂原子之间的有限距离决定了闪存的尺寸极限。

于是问题就出现了:一个具有导电磁畴壁的绝缘体如何能被用作存储介质？小菜一碟:用两个电极测量一小块这种材料的电阻。如果没有磁畴壁或者磁畴壁不同时接触两个电极，电阻将非常大(1)，因为材料本身是绝缘的；如果至少一个磁畴壁同时接触两个电极，则电阻将非常小(0)，因为磁畴壁是金属的。解决问题。

使用具有金属畴壁的磁绝缘体作为永久存储器件的[原理。】

您可能会想问这和传统磁盘有什么不同？最大的区别在于，不需要通过复杂的设备(例如传统硬盘中的磁头)将磁信号转换成电信号。因为磁和电是直接相连的。因此，理论上有可能制造没有移动部件的固态器件，并且读取速度将非常快。闪存呢？问得好。答案是基于导电磁畴壁的存储单元可能比闪存单元小，因为它们不受半导体物理的限制。它有多小？这很难说，因为我们仍然不知道磁畴壁的导电部分有多宽...此外，在合适的材料中，磁畴壁几乎可以永久存在，不像闪存，它只能保存大约10年的记忆。

读到这里，如果你认为这个发现离实际应用还很远，那么恭喜你，你的直觉非常准确。事实上，目前最大的问题是寻找在室温下具有类似现象的材料(Nd2Ir2O7只有在-240℃以下才有这种性质)。这与其说是一个技术问题，不如说是一个科学问题(想想高温超导体)。但是谁知道呢？

所以温昶终于走到了尽头。如果你一直在这里阅读，我强烈建议你阅读《科学》杂志上的原始文章。如果你有任何问题，请发邮件给yuema@stanford.edu。