本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
对我们大多数人来说，“文明”一词是启蒙、文化或精致的代名词；它让人联想到宏伟的公共建筑，或让人联想到先进的社会系统。但在我看来，文明只不过是衡量材料科学进步状态的指标，因为从石器时代到青铜时代再到铁器时代，人类文明的每一次重大进步都是由材料的根本发展驱动的。这种关联非常强烈，以至于我们甚至以当时占主导地位的材料来命名我们的历史时代。
在今天的“硅时代”，硅晶体管构成了微电子学的核心，而微电子学使我们的现代生活方式成为可能。在过去的几十年里，我们惊人地改进了硅器件的性能，使得笨重的老式台式电脑转变为时尚的智能手机，同时理所当然地认为，正如摩尔定律所描述的那样，功能呈指数级增长，而尺寸和成本则相应降低。
但是，随着我们开始遇到构成硅材料的单个原子尺寸所设定的基本物理限制，这场硅革命很快将被迫走向终结。这意味着，在我们现有的框架内，朝着更快、更小、更轻、功能越来越多的产品稳步迈进的步伐无法继续。
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尽管我们的电子设备似乎已经足够轻便、小巧和强大，但事实上，这个障碍对社会来说是一个深刻的问题。微电子技术的全球使用量正在迅速扩张，以至于根据许多预测，在未来几十年内，全球一半以上的能源将被信息技术消耗。这种消耗是不可持续的。为了维持和提高我们的全球生活水平，我们需要超越硅时代，而要做到这一点，我们需要一种新材料。
二十年前，我是一名年轻的博士后研究员，在一个专门研究铁电材料的研究小组中研究铁磁材料——这些材料包含磁偶极子，其北极和南极沿同一方向排列——铁电材料是由正负电荷组成的对齐电偶极子的材料。我的计划是采用我的接待小组开发的用于研究铁电材料的技术，并将它们应用于铁磁体的研究；“铁”这个词在两个名称中都反映了这两个材料类别之间潜在物理学的相似性。
但我注意到，我研究的材料种类与我的同事们研究的材料种类不同。例如，大多数铁磁材料是黑色金属，如铁，而大多数铁电材料是透明陶瓷。“为什么磁性铁电材料如此之少？”这个问题引起了我的兴趣，以至于找到答案成为我的研究计划的重点。
我的发现非常简单：形成在材料中产生磁偶极子所需的化学键的原子，其化学性质与那些倾向于产生电偶极子的原子不同。但是，没有根本原因表明这两种现象不能结合起来。有了这种理解，我的合作者和我能够开发出一种名为多铁性材料的新型材料，它们确实既是磁性的又是铁电的。
那么，为什么多铁性材料如此重要呢？嗯，在今天的技术中，磁性材料是硅的补充——硅用于处理信息，磁性材料用于存储信息，通过磁偶极子的相反方向来表示数字电子设备的 1 和 0。磁性材料在这方面非常出色，因为这些磁性数据位是稳定的、体积小的并且可以快速访问。然而，磁性器件是有代价的——产生控制磁性所需的磁场需要笨重的组件并消耗大量能量。
但想象一下，一种既是磁性的又是铁电的材料所提供的可能性。多铁性材料仍然具有磁性材料的所有优点，但此外，它们的磁性可以使用电场来控制。与磁场相比，电场是高效的：它们可以由微小的组件制成，并且它们消耗的能量非常少。我们的新型多铁性材料有望实现全新的器件范式，以及沿着我们才刚刚开始想象的方向设计技术的不同方式。
为了进入新的“多铁性材料时代”，我们需要打破哪些墙壁？我们需要开发新型材料，使磁偶极子和电偶极子在室温下保持稳定，即使我们将它们做得非常小。我们需要充分理解重新定向偶极子的过程，以便使用非常小的电场来完成它。我们需要确保我们的新材料在地球上储量丰富、环境友好、廉价且易于加工。作为回报，我们的多铁性材料为我们提供了一个探索大量令人兴奋的基础科学问题的场所，并且可能，仅仅是可能，为下一个材料时代铺平道路。
编者注：这篇文章是与柏林一年一度的Falling Walls Conference合作制作的，该会议恰逢柏林墙倒塌周年纪念日，并展示了来自世界各地的研究人员的工作，包括本文的作者。