磁电复合

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1. 引子

首先说明一点：西安交通大学做功能材料研究的有两位刘明，都很帅！笔者是大刘明。

很多人认为，人类社会的发展总结起来就两条主线：第一是对能源的驾驭。因为火的使用，人区别于其它动物，于是人类开始征服整个世界，虽然更多是征服同类。近代人类对蒸汽动力的使用开启了工业时代，随后又渐渐驯服核能这个潘多拉魔鬼。这些征服之路也从正反两方面印证人类文明的成熟和未来星际拓展的无限可能。第二是对信息的驾驭。这一主线体现了文明的更多内涵。有比喻云：能源是文明的肌肉，信息是文明的神经。此类比喻让人产生很多基于医学生物学的联想。亦有打油诗曰：文字书籍烽火台，无线互联计算机。古老文明的生生不息仰赖文字书籍的代代相传，而无线电与计算机问世则提高了人类信息传播和处理的效率。半导体产业发展，让人类信息学进入了奥林匹克式的竞争，不断追求更小、更快、更节能、更多功能。在这场永无止境、永不停歇的竞赛中，除了我们自己变得更加精疲力竭之外，也浮现出一个核心问题：如何用最少的能量处理最大量的信息？！

关于这一问题，不同领域的学者有不同说法，大概都想将功劳与贡献多一些揽到自己身上。比如，材料学者说：左手一个桶能源，右手一个桶信息，那材料学就是挑起两只桶的一根扁担。牛叉！这一比喻形象但不是那么生动，并没有将扁担与桶的关系表达到位。不过，有一点很像：科学技术的上游是数理化，下游是工程技术。材料科学这支扁担将能源和信息送到千家万户，却不知千家万户喜欢的只是桶里的东西。他们将扁担往门背后一扔，就没扁担什么事了。这一点，材料学者感同身受、不胜委屈。

扁担角色当久了，材料人就只剩下一贯的清高。我们愿意振振有词：材料学自身发展逻辑体现了人类社会的发展水平以及科技的高度。它经历了天然材料、合成高分子材料、人工设计材料和智能材料四个发展阶段。其中，智能材料 (Intelligent Materials) 是材料科学最前沿领域之一。它是一大类能感知外部刺激、能判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料也是现代高技术新材料发展的方向之一，据说将支撑未来高技术的发展，并使传统意义下功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，从而实现结构功能化、功能多样化。

图1. 材料人在MRS 大会上做一次艺术家，以释放内心的情怀。这里显示两幅MRS 会议上“ Science as Art ” 获奖图片 (左图为2023 春季MRS 获奖作品、右图为2023 秋季MRS 获奖作品)。plex oxide interfaces. Nat. Commun. 6, 6735, doi:10.1038/ncomms7735 (2015).Yakushiji, K. et al. Ultrathin Co/Pt and Co/Pd superlattice films for MgO-based perpendicular magnetic tunnel junctions. Appl. Phys. Lett. 97, 232508, doi:10.1063/1.3524230 (2010).Bi, C. et al. Reversible control of Co magnetism by voltage-induced oxidation.Phys.Rev. Lett. 113, 267202, doi:10.1103/PhysRevLett.113.267202 (2014).Lu, N. et al. Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch. Nature 546, 124-128, doi:10.1038/nature22389 (2023).Cui, B. et al. Electrical manipulation of orbital occupancy and magnetic anisotropy in manganites. Adv. Funct. Mater. 25, 864-870 (2015).Zhao, S. et al. Quantitative Determination on Ionic-Liquid-Gating Control of Interfacial Magnetism. Adv. Mater. 29, 1606478, doi:10.1002/adma.201606478 (2023).Yang, Q. et al. Ionic liquid gating control of RKKY interaction in FeCoB / Ru / FeCoB and (Pt/Co)2 / Ru / (Co/Pt)2 multilayers. Nat. Commun. 9, 991, doi:10.1038/s41467-018-03356-z (2023).Zhao, S. et al. Low-Voltage Control of (Co/Pt)x Perpendicular Magnetic Anisotropy Heterostructure for Flexible Spintronics. ACS Nano 12, 7167-7173, doi:10.1021/acsnano.8b03097 (2023).Yang, Q. et al. Ionic Gel Modulation of RKKY Interactions in Synthetic Anti-Ferromagnetic Nanostructures for Low Power Wearable Spintronic Devices.Adv. Mater, e1800449, doi:10.1002/adma.201800449 (2023).Zhu, M. et al. Voltage control of spin wave resonance in La0.5Sr0.5MnO3 / PMN-PT(001) multiferroic heterostructures. Appl. Phys. Lett. 111, 102903, doi:10.1063/1.4990545 (2023).Xue, X. et al. Voltage Control of Two-Magnon Scattering and Induced Anomalous Magnetoelectric Coupling in Ni-Zn Ferrite. ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 43188-43196, doi:10.1021/acsami.7b15433 (2023).Xue, X. et al. Discovery of Enhanced Magnetoelectric Coupling through Electric Field Control of Two-Magnon Scattering within Distorted Nanostructures. ACS Nano 11, 9286-9293, doi:10.1021/acsnano.7b04653 (2023).Peng,B. et al. Deterministic Switching of Perpendicular Magnetic Anisotropy by Voltage Control of Spin Reorientation Transition in (Co/Pt)3 / Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - PbTiO3 Multiferroic Heterostructures. ACS Nano 11, 4337-4345, doi:10.1021/acsnano.7b01547 (2023).Dong, G. et al. Thermal Driven Giant Spin Dynamics at Three-Dimensional Heteroepitaxial Interface in Ni0.5Zn0.5Fe2O4 / BaTiO3 - Pillar Nanocomposites.ACS Nano 12, 3751-3758, doi:10.1021/acsnano.8b00962 (2023).Wang X. et al. E-field Control of the RKKY Interaction in FeCoB / Ru / FeCoB / PMN-PT (011) Multiferroic Heterostructures. Adv. Mater. 30, 1803612, doi: 10.1002/adma.201803612 (2023).Zhao, S. et al. Ionic Liquid Gating Control of Spin Reorientation Transition and Switching of Perpendicular Magnetic Anisotropy. Adv. Mater. 30, 1801639, doi:10.1002/adma.201801639 (2023).Guan, M. et al. Ionic Modulation of the Interfacial Magnetism in a Bilayer System Comprising a Heavy Metal and a Magnetic Insulator for Voltage-Tunable Spintronic Devices. Adv. Mater. 30, 1802902, doi:10.1002/adma.201802902 (2023).Zhao, S. et al. Low-Voltage Control of (Co/Pt)x Perpendicular Magnetic Anisotropy Heterostructure for Flexible Spintronics. ACS Nano 12, 7167−7173, doi: 10.1021/acsnano.8b03097(2023).

备注：

(1) 封面图片来自：

puters-that-consume-less-power

图片说明：Anextra plane of iron atoms was inserted every ten repeats, substantiallychanging the magnetic properties. The jagged appearance of the lutetium atomsis due to atomic rumpling. Credit: Emily Ryan and Megan Holtz; CornellUniversity

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