在过去的十年里，科学家和工程师一直在推动利用一种难以捉摸的铁电材料，称为氧化铪或hafnia，以迎来下一代计算内存。包括罗切斯特大学的Sobhit Singh在内的一组研究人员发布了《美国国家科学院院刊》的研究概述了使块状铁电和反铁电哈夫纳可用于各种应用的进展。
在特定的晶相中，铌牛具有铁电特性，即可以通过施加外部电场在一个方向或另一个方向上改变的电极化。此功能可以在数据存储技术中加以利用。当用于计算时，铁电存储器具有非易失性的优势，这意味着即使在断电时也能保持其值，这是与当今使用的大多数类型的存储器相比的几个优势之一。
在特定的晶体相中，氧化铪或铪表现出科学家多年来一直试图利用的铁电特性。罗切斯特大学的理论家帮助迈出了重要的一步，使体铁电体和反铁电体哈夫尼亚可用于各种应用，包括高性能计算。
“Hafnia是一种非常令人兴奋的材料，因为它在计算机技术中的实际应用，特别是在数据存储方面，”机械工程系助理教授Singh说。“目前，为了存储数据，我们使用磁性形式的内存，这些内存速度慢，需要大量能量才能运行，而且效率不高。铁电形式的存储器坚固耐用、速度超快、生产成本更低、更节能。
但是，在量子水平上进行理论计算以预测材料特性的辛格说，块哈夫纳在其基态下不是铁电的。直到最近，科学家们只有在将哈夫纳拉成长为纳米厚度的二维薄膜时，才能使哈夫纳达到其亚稳态铁电态。
2021 年，辛格是罗格斯大学一个科学家团队的一员，该团队通过将材料与钇合金化并迅速冷却，让哈夫纳保持其亚稳态铁电态。然而，这种方法也有一些缺点。“它需要大量的钇才能达到所需的亚稳相，”他说。“因此，虽然我们实现了我们想要的目标，但与此同时，我们阻碍了材料的许多关键特性，因为我们在晶体中引入了许多杂质和无序。那么问题来了，我们如何才能用尽可能少的钇达到亚稳态，以改善所得材料的性能?
在这项新研究中，Singh计算出，通过施加巨大的压力，人们可以稳定其亚稳态铁电体和反铁电形式的块状大山体，这两者对于下一代数据和储能技术的实际应用都很有吸引力。由田纳西大学诺克斯维尔分校的Janice Musfeldt教授领导的一个团队进行了高压实验，并证明，在预测的压力下，材料转化为亚稳相，即使压力被移除，也保持在那里。
“这是实验理论合作的一个很好的例子，”Musfeldt说。
新方法只需要大约一半的钇作为稳定剂，从而大大提高了生长的哈夫尼亚晶体的质量和纯度。现在，辛格说，他和其他科学家将推动使用越来越少的钇，直到他们找到一种散装生产铁电哈夫纳以供广泛使用的方法。
随着哈夫纳因其耐人寻味的铁电性而继续引起越来越多的关注，辛格正在即将举行的美国物理学会 2024 年 3 月会议上组织一次关于该材料的受邀焦点会议。
