信息存储技术或迎来跨越式革命

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光明日报北京1月23日电（记者崔兴毅）想象一下，将一万部高清电影或二十万段短视频，全部塞进一张邮票大小的设备里——这不是科幻，而是我国科学家的最新成果可能带来的真实未来图景。23日，中国科学院物理研究所金奎娟院士、葛琛研究员、张庆华副研究员联合团队在《科学》期刊上发表重要研究成果——首次在三维晶体中发现并操控“一维带电畴壁”，为下一代超高密度存储与人工智能芯片奠定了科学基础。这项成果不仅颠覆了传统认知，更意味着信息存储技术有望迎来从“二维平面”到“一维线”甚至“零维点”的跨越式革命。

在我们熟悉的磁铁中，无数个微小磁针指向同一方向，从而产生磁性。类似的，铁电材料内部存在无数个“电学指南针”，它们自发指向同一极化方向，形成正负电荷分离的结构。更神奇的是，这些“电针”的方向能用外部电场翻转，就像开关一样，因此铁电材料被誉为“信息存储的明星材料”。

在实际材料中，这些“电针”并不会全部整齐排列，而是分成一个个方向一致的小区域，称为“铁电畴”，畴与畴之间的边界就是“畴壁”。你可以把整块材料想象成一个魔方——如果所有小方块颜色相同，就是单一畴；如果颜色不同，畴壁就是不同色块之间的交界面。

长期以来，科学界认为，在三维晶体中畴壁自然是二维的“面”。但研究团队通过创新材料设计与原子尺度观测，在萤石结构氧化锆薄膜中，首次发现厚度与宽度均仅为埃米级别（约0.25纳米）的一维畴壁，相当于人类头发直径的数十万分之一。

这些一维畴壁被限制在极薄的极性晶格层内，像一条条极其纤细的“电荷线”，其稳定存在得益于氧离子和氧空位扮演的“原子胶水”角色。研究团队甚至通过电子辐照产生的局部电场，实现对这类畴壁的人工写入、移动与擦除，为将来实现可控电路功能迈出关键一步。

这项突破最令人兴奋的，还是其应用潜力——比如存储变革。当前商用存储器（如硬盘、U盘）的信息记录单元是“面”，尺寸为数十纳米；传统铁电畴壁存储单元是“线”；而本次发现的一维畴壁，在投影视角下相当于一个“点”。从面到线再到点，这意味着存储密度可实现指数级提升，预计比现有技术提高数百倍，理论存储密度可达每平方厘米20TB，真正实现“邮票存万影”。

据了解，该研究不仅填补了铁电物理中畴壁维度的空白，更揭示了萤石结构铁电材料体系中极化翻转与离子迁移之间的内在耦合机制。这意味着，未来我们不仅能造出更小的存储器，更有可能在一个物理器件中同时实现信息存储与类脑计算，推动存算一体芯片的发展。正如团队专家所说：“这项研究为开发具有极限密度的人工智能器件载体提供了科学基础。”

（光明日报）