笔记本电脑、iPod等数码产品在信息化时代已成为城市居民尤其是白领们不可或缺的重要“装备”，其中一个重要原因在于其强大的信息存储功能。如何让数码产品的存储容量越来越巨大而体积越来越小，方便携带，同时又能节能省电呢？华东师大极化材料与器件重点实验室段纯刚教授、朱自强教授、褚君浩院士等近日在磁电效应机制研究上取得了重要突破，为未来解决存储器自身的体积与信息容量之间的矛盾、实现新一代信息存储器提供了重要的理论依据。段纯刚教授等专家此次的研究工作与美国内布拉斯加大学Tsymbal小组合作完成，其中华东师范大学为第一研究单位，并得到了中国自然科学基金，“973”项目和上海基础研究计划的支持。研究成果发表在最近一期的国际物理顶级学术刊物《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 101, 137201 (2008)]，并被收录于由美国物理联合会 （AIP）和美国物理学会（APS）联合发行的国际纳米科技网络杂志Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology（2008年10月6 日刊）。

笔记本电脑、iPod等数码产品的信息存储功能是通过其内置的硬盘来实现的。硬盘是一种磁性存储器，其工作原理是利用涂敷在金属薄膜磁盘表面的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，而写入数据的操作正好与此相反。为了满足现代信息存储器件小型化大容量的要求，如今的硬盘已逐渐从传统的水平磁记录方式过渡到垂直磁记录方式，从而可以实现每平方英寸GB以上的高存储密度。其信息读取操作通过巨磁阻效应（其发现者法国的Albert Fert及德国的Peter Grünberg因此荣获2007年的诺贝尔物理奖）实现，但写操作则需要强磁场或热协助，这就限制了这类硬盘的方便性，也增大了其功耗。近年来，人们认识到借助磁电效应可能实现用电场来控制磁记录材料的极性，从而达到硬盘的“磁读电写”，既节能又简便，于是磁电效应重新得到了物理和材料方面学者的高度关注。

在过去对磁电效应的理论和实验研究中，人们普遍认为磁电效应只能存在于多元体系，因而研究方向主要集中在具有复杂结构的铁磁氧化物或铁磁、铁电复合体系中，并认为其磁电效应产生机制主要源于磁性离子在外电场作用下的位移。而此次华东师范大学段纯刚等专家研究发现，在外加电场的作用下，简单的铁磁金属（如铁，钴，镍）中的3d巡游电子为屏蔽该电场会集聚在金属表面，而这些屏蔽电子之间的交换关联作用会改变表面磁矩，进而直接影响金属的表面磁性。段纯刚教授等人的数值计算证实了Shufeng Zhang教授于1999年通过解析模型预言的自旋相关的电子屏蔽现象，并在国际上首次给出屏蔽电子在铁磁金属薄膜内部复杂的类Friedel多周期振荡式分布。这也证明无需借助离子位移，仅仅通过载流子的移动，就能在铁磁金属表面产生磁电效应，这一结论也为人们理解磁电效应提供了一个全新的视角。他们的研究还表明，如果以巨介电材料为中介，则有可能会进一步显著放大铁磁金属薄膜的表面磁电效应。这也为未来进一步解决存储器自身体积与信息存储量之间的矛盾、实现存储器“小型化”提供了理论可能。

段纯刚等还进一步研究了铁磁金属表面磁晶各向异性能在外场下的变化。计算表明，表面电子的轨道角动量在外场作用下会发生微小变化，从而改变其自旋轨道耦合，进而直接影响金属表面磁晶各向异性能。以铁薄膜为例，当强度为0.5 V/Å的外加电场发生反转，其表面磁晶各向异性能会发生近30%的变化，这就为用电场直接实现磁极化反转提供了有力的理论支持，同时也解释了最近发表在Science上的一个法国研究小组的实验工作。

据悉，华东师大极化材料与器件教育部重点实验室新近成立于2007年末，由褚君浩院士担任学术委员会主任，朱自强教授担任实验室主任，主要围绕极化类功能信息材料展开理论和实验研究，具体研究内容包括：半导体量子结构中的自旋量子调控；高性能铁电薄膜单晶材料的制备以及铁电极化和光热电转换规律及其调控机制研究；铁电、铁磁、半导体电子学与光子学的交叉应用；铁磁体/铁电体、铁磁体/半导体、铁电体/半导体异质结结构和低维结构；多铁体和磁电体的研究和制备等。段纯刚教授是华东师大新引进的紫江特聘教授，他在国际著名学术刊物上共发表学术论文近五十篇，其中包括一篇特邀综述，一篇Nano Lett.，四篇Phys.Rev.Lett.，现为Nano Lett.‚ Phys. Rev. Lett.等刊物的审稿人。他于2007年回国，获得了2008年上海市浦江学者称号，现主持一项国家自然科学基金面上项目，并和清华大学南策文小组合作申请并获得一项国家自然科学基金重点项目。