科学家首次捕捉到存储材料原子级“开关”过程，为更小更快存储铺路

4 月 7 日消息，科学家成功捕捉到一种存储材料在写入数据时的原子“开关”过程，有望为开发更小、更快、更节能的电子产品铺平道路。相关研究成果已发表于《自然 · 通讯》。

这项研究由莫纳什大学物理与天文学院的日本学术振兴会（JSPS）博士后研究员大江耕介博士领导，研究合作方包括澳大利亚桂冠教授乔安娜 · 埃瑟里奇，以及来自日本精细陶瓷中心、京都大学和大阪大学的研究人员。

研究团队借助莫纳什大学电子显微镜中心（MCEM）的先进电子显微镜设备，捕捉到了被称为“萤石型铁电体”的潜在存储材料内部的原子级运动。这类材料有望克服当前存储器件在小型化和能效方面所面临的技术极限。

在我们日常使用的许多技术中 —— 例如医疗设备、可穿戴电子产品以及公共交通中使用的非接触式 IC 卡 —— 数据存储往往是通过翻转材料内部的微小电学状态来实现的。这项研究首次在单个原子层面上揭示了这些“开关”究竟是如何翻转的。

该团队采用了一种可实时追踪原子运动的高灵敏度成像技术，从而捕捉到了发生在数分之一秒内的变化。他们发现，开关过程并非单步完成，而是经过此前未知的中间原子结构；同时，通过改变材料成分可以控制这一过程。

大江耕介博士表示：“利用最先进的电子显微镜，我们首次能够直接观察存储器件存储信息所依赖的开关过程中原子的运动。这为我们带来了全新的理解层次 —— 我们不仅知道开关发生了，更从原子尺度上知道了它究竟是如何发生的。令人兴奋的是，我们现在能够看到控制这一行为的路径，从而为设计更快、更稳定且能效更高的材料打开了大门。”

同样来自物理与天文学院、并担任莫纳什大学电子显微镜中心科学顾问的埃瑟里奇教授解释说：“现代技术需要越来越小、能效越来越高的存储器。这些材料令人振奋之处在于，即使在传统材料失效的微小尺寸下，它们依然能够正常工作。通过揭示原子在开关过程中的运动路径，这项工作为工程化下一代存储器件提供了原子尺度的路线图。”

该发现为下一代铁电材料提供了关键的设计思路，特别是不同元素如何影响原子运动和开关行为。这为在原子级别上定制材料、提高耐用性和效率，以及加速先进存储技术的发展创造了新的可能性。

附论文地址：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70593-y