我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)極限尺寸一維鐵電存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　【瞧！我們的前沿科技】信息存儲(chǔ)技術(shù)或迎來跨越式革命

　　本報(bào)北京1月23日電(記者崔興毅)想象一下，將一萬部高清電影或二十萬段短視頻，全部塞進(jìn)一張郵票大小的設(shè)備里——這不是科幻，而是我國(guó)科學(xué)家的最新成果可能帶來的真實(shí)未來圖景。23日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所金奎娟院士、葛琛研究員、張慶華副研究員聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》期刊上發(fā)表重要研究成果——首次在三維晶體中發(fā)現(xiàn)并操控“一維帶電疇壁”，為下一代超高密度存儲(chǔ)與人工智能芯片奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。這項(xiàng)成果不僅顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知，更意味著信息存儲(chǔ)技術(shù)有望迎來從“二維平面”到“一維線”甚至“零維點(diǎn)”的跨越式革命。

　　在我們熟悉的磁鐵中，無數(shù)個(gè)微小磁針指向同一方向，從而產(chǎn)生磁性。類似的，鐵電材料內(nèi)部存在無數(shù)個(gè)“電學(xué)指南針”，它們自發(fā)指向同一極化方向，形成正負(fù)電荷分離的結(jié)構(gòu)。更神奇的是，這些“電針”的方向能用外部電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，就像開關(guān)一樣，因此鐵電材料被譽(yù)為“信息存儲(chǔ)的明星材料”。

　　在實(shí)際材料中，這些“電針”并不會(huì)全部整齊排列，而是分成一個(gè)個(gè)方向一致的小區(qū)域，稱為“鐵電疇”，疇與疇之間的邊界就是“疇壁”。你可以把整塊材料想象成一個(gè)魔方——如果所有小方塊顏色相同，就是單一疇；如果顏色不同，疇壁就是不同色塊之間的交界面。

　　長(zhǎng)期以來，科學(xué)界認(rèn)為，在三維晶體中疇壁自然是二維的“面”。但研究團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新材料設(shè)計(jì)與原子尺度觀測(cè)，在螢石結(jié)構(gòu)氧化鋯薄膜中，首次發(fā)現(xiàn)厚度與寬度均僅為埃米級(jí)別(約0.25納米)的一維疇壁，相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的數(shù)十萬分之一。

　　這些一維疇壁被限制在極薄的極性晶格層內(nèi)，像一條條極其纖細(xì)的“電荷線”，其穩(wěn)定存在得益于氧離子和氧空位扮演的“原子膠水”角色。研究團(tuán)隊(duì)甚至通過電子輻照產(chǎn)生的局部電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這類疇壁的人工寫入、移動(dòng)與擦除，為將來實(shí)現(xiàn)可控電路功能邁出關(guān)鍵一步。

　　這項(xiàng)突破最令人興奮的，還是其應(yīng)用潛力——比如存儲(chǔ)變革。當(dāng)前商用存儲(chǔ)器(如硬盤、U盤)的信息記錄單元是“面”，尺寸為數(shù)十納米；傳統(tǒng)鐵電疇壁存儲(chǔ)單元是“線”；而本次發(fā)現(xiàn)的一維疇壁，在投影視角下相當(dāng)于一個(gè)“點(diǎn)”。從面到線再到點(diǎn)，這意味著存儲(chǔ)密度可實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)提升，預(yù)計(jì)比現(xiàn)有技術(shù)提高數(shù)百倍，理論存儲(chǔ)密度可達(dá)每平方厘米20TB，真正實(shí)現(xiàn)“郵票存萬影”。

　　據(jù)了解，該研究不僅填補(bǔ)了鐵電物理中疇壁維度的空白，更揭示了螢石結(jié)構(gòu)鐵電材料體系中極化翻轉(zhuǎn)與離子遷移之間的內(nèi)在耦合機(jī)制。這意味著，未來我們不僅能造出更小的存儲(chǔ)器，更有可能在一個(gè)物理器件中同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)與類腦計(jì)算，推動(dòng)存算一體芯片的發(fā)展。正如團(tuán)隊(duì)專家所說：“這項(xiàng)研究為開發(fā)具有極限密度的人工智能器件載體提供了科學(xué)基礎(chǔ)。”

　　作者：本報(bào)記者 崔興毅《光明日?qǐng)?bào)》(2026年01月24日 04版)