磁力的时代即将来临？磁电效应的物理、应用与未来

但在不远的将来，诸如“室温超导体”的开发与普及很可能在硬体建设上带来革命性的变化。超导体（supercondunctor）意味着某些导体在极低温（比如接近绝对零度，-273.15℃）下，电阻将消失，而没有阻力也意味着没有电力的损耗。传统铜线中，电子的流动与管壁原子的摩擦力将造成能量的消耗;而超导铜线巧妙地规避了这个问题，因为在极低温环境下，原子将凝滞不动，电子也就能相当“通畅”地行经管线，线路寿命和产电效率也就能大幅跃升。但要实现极低温的环境并非易事，因而近年来科学家正在尝试开发室温环境下的超导体，这意味着超导线圈能在日常生活中普及。

且由于超导本身的抗磁性（diamagnetism），比磁浮列车更酷炫的“悬浮”类型交通工具将成为常态，且由于不再有电能、摩擦力的损耗，你可以想象未来一旦超导磁浮列车与轨道网络成功开发，只要轻轻一推，便能将一辆列车从台北车站高效地驶向垦丁、甚至车程用不上一小时。

电生磁、磁生电?

学习过中学物理的都知道，电与磁之间的作用是密不可分的;目前为止，大部分电子产品也都与“电流磁效应”（即安培定律，Ampère’s law）或“电磁感应”（即法拉第电磁感应定律，Faraday’s law of electromagnetic induction）有着密切关联。

比如搭乘捷运或者公车时，“悠游卡”内部的线圈就运用了电磁感应的原理，产生的电流将资讯传输至读卡机;“电风扇”的马达则透过电流磁效应将电力转为磁力、再转为机械能带动扇叶;“麦克风”运用的则是透过声波振动磁场、藉由电磁感应产生电流、再透过电流磁效应传递到扬声器。由此可知，工业革命与量子力学的发展将我们带到了“电力的时代”，而磁力似乎一直是电力的副产物。

常见的“悠游卡”内部，同样使用了电磁感应的原理。　图/wikimedia

而电脑硬碟也是如此，磁碟由磁性材料组成，需要用到线圈产生磁场、改变磁性材料的磁场方向;而透过读写头可以感测、改变磁性材料的磁极，从而达成资料的读写。和上一段例子稍微不一样的点在于：硬碟、磁碟的原理和材料“本身的”磁性有关，而非纯粹基于电与磁之间的作用。虽然硬碟透过磁场的改变而达到读写资料的目的，但这是相当耗能、耗时的;相比之下，电能对我们而言容易操控得多。如果我们能开发出一种仅仅用“电场”就能改变记忆本身的磁性，那么，这将在资讯储存的领域造成革命性的进展。这就进一步带入这次的主题——“磁电效应”（magnetoelectric effect, ME）。

磁电效应的产生机制

不同于宏观的电磁效应，“磁电效应”通常与物质本身的微观结构有关。磁电效应的机制取决于晶体本身的对称性（symmetry），举例来说，线性磁电效应的产生必须满足时间反演对称性（time-reversal symmetry）被打破的条件。首先，时间反演对称性听起来有些奇妙，但它的概念相当直白：物体在顺着时间流以及倒转的画面是相同且无法区辨的;数学上来说，代入 t → -t，如果得出的结果依然是一样的就说明了系统是具有时间反演对称性的。

电流的磁效应就是一个反例：设想一个电路回圈，逆时针的电流产生出向上的磁场（右手定则）。现在让我们“倒带”这段影像：你会发现磁场先消失、电流再变成顺时针环绕;然而，顺时针的电流“理应”产生向下的磁场，但在倒带的影像中并非如此——这便是时间反演对称性的打破。

凝态物理中最常见的例子之一就是铁磁体（ferromagnet）：想象一块纯铁，在施加磁场后，其内分子的磁矩方向会顺着磁场方向排列一致，也就是被“磁化”;然而，如果将画面倒转，会发现磁矩方向回归不规律、接着磁场消失，但在物理上，你无法透过“去磁化”而关闭磁场;反之，即使关闭了磁场、磁化也依旧不因此而消失。换言之，铁磁体打破了时间反演对称性。

而磁电效应的产生通常要求磁性同时打破时间反演对称性与镜像对称性（mirror symmetry），也就是在镜中世界的物理必须符合逻辑。在某些情况下（比如螺旋摆线形的指向），磁性会打破镜像对称性，造成了电极化（施加电场后，电介质内部的正负电荷会朝特定方向排列）。

这些看似寻常的对称性往往是物理现象背后的推手，在数十年来场论的发展中，物理学家逐一发现：当我们从一些物理现象（比如电与磁）抽丝剥茧，会发现背后是繁复的数学方程式，而彼此之间蕴藏着不少“对称性”联系着;从微观以及数学的角度来说，正是因为某些对称性的破缺，导致了一些物理现象的产生——磁电效应便是如此。

在统计力学与量子场论中，描述系统能量性质的哈密顿量（Hamiltonian）取决于格点（lattices），对于磁力而言，若我们改变了格点的形态，磁能也可能会降低，在这过程中，电极化便可能因此产生;而像这样微观层面上造成电与磁的“耦合”（coupling，通俗的说法就是交互作用），便是“磁电效应”的根源。

因此，我们可以这样概括：

磁电效应的产生肇始于微观尺度下的对称性破缺，因此，磁电效应并非无所不在，通常仅出现于拥有特定对称性的晶体。

举例而言，三氧化二铬（Cr2O3）就是最早一批被证实有磁电效应存在的晶体。

单分子磁体 — — 量子产业的结合

在近年来的研究中，单分子磁体（single-molecule magents，SMM）的发现掀起了不少科学家竞相研究。顾名思义，单分子磁体指的是带有特定“磁性”的“分子”;更精确的说，是指拥有“超顺磁性”（superparamagnetism）的分子结构，意味着在特定温度下，一些具有磁性的颗粒将不易受外界磁场影响，以至于磁化性质近似于顺磁体。当然，并不是所有分子化合物都可以作为单分子磁体，一般来说，它们通常都是含有“金属”原子的“有机化合物”，例如最早被发现的 [Mn₁₂O₁₂（OAc）₁₆（H₂O）₄]（简称Mn₁₂）。

由于单分子磁体扮演着类似于“纳米磁铁”的角色，微小且具有磁性的特质，使它们可以被应用于磁铁储存体元件、或者量子位元（qubits） ——相信不少人对于近年来相当热门的“量子电脑”并不陌生，而作为这种电脑运算的基础，单分子磁体本身的自旋性质以及磁存储优势，很可能改善现有的记忆容量，从而成为量子位元的候选者。

那么，单分子磁体和磁电效应搭得上关联吗?笔者在 2023 年曾参与一项由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）资助的研究计划，其中便包含了对于单分子磁体“磁电效应”的研究，研究指出某些单分子磁体（比如 [Fe₃O（O₂CPh）₆（py）₃]ClO₄.py，简称 Fe₃ 聚合物）在特定温度条件下可以产生磁电效应，我们可以透过建造穿隧二极振荡器（tunnel-diode oscillator，TDO）等方式来探测磁化率（magnetic susceptibility），从而侦测磁电效应。值得注意的是，这项实验也指出一项优势：我们将能透过改变电场来实现磁电效应，而非像传统硬碟技术那样透过磁场改变电场特性。

磁电效应的未来与展望

磁电效应在近年来逐渐掀起学术界的研究热潮，同时也陆续获得业界的瞩目。其中一个最有可能实现的愿景，便是磁存储技术的改善，因为我们将不用藉由磁碟上面的磁性材料与磁场来控制资料的存储与读写;相比之下，电场比磁场容易操控些，磁电效应提供了一个新方案，只需透过一些特殊磁性物质（比如具有特定对称性的晶体）、便能藉由电场改变晶体特性（诸如磁矩等等）。而对于晶体的候选者，单分子磁体具有相当的潜力，因为这类型的晶体很有可能延伸到量子位元的建构，从而在记忆存储与量子电脑的同步开发下，带动未来量子产业的发展。

21 世纪，更多前沿的技术不断开展，无论是室温超导等凝态物理的研究、或者是磁电效应与量子产业的结合，都向人们宣示着磁力时代的来临。