電阻、電容和電感是人們熟知的三種基本電路元件，分別由四個基本電路變量(電壓v、電流i、電荷q、磁通φ)兩兩之間的線性關(guān)系來定義。1971年，美國加州大學(xué)LeonChua提出，基于對稱性考慮應(yīng)該存在第四種基本電路元件，由電荷和磁通之間的關(guān)系來定義。由于當時沒有找到符合這種定義的真實器件，LeonChua通過關(guān)系變換，基于非線性電流-電壓關(guān)系定義了一種新的器件——憶阻器(memristor)，并把它當作第四種基本電路元件。在隨后近40年里，憶阻器的概念并沒有引起人們太多的注意。直到2008年，美國惠普實驗室在《自然》(Nature)上發(fā)表文章宣稱找到了缺失多年的憶阻器，從而激發(fā)了人們對憶阻器的關(guān)注，掀起了憶阻器及相關(guān)功能器件的研究熱潮。雖然憶阻器具有重要的應(yīng)用前景，但是，它并不是真正的第四種基本電路元件，因為憶阻器是基于非線性電流-電壓的關(guān)系來定義的，不滿足第四種基本元件的原始定義，即直接由電荷-磁通的關(guān)系來定義。因此，把憶阻器作為第四種基本電路元件，一直受到爭議與質(zhì)疑。

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)研究員孫陽、副研究員尚大山、副研究員柴一晟等基于磁電耦合效應(yīng)實現(xiàn)了滿足原始物理定義的真正的第四種基本電路元件。磁電耦合效應(yīng)是指磁場改變電極化強度或者電場改變磁化強度的物理現(xiàn)象。他們通過理論推導(dǎo)和實驗檢驗，發(fā)現(xiàn)基于一個由磁電耦合介質(zhì)和金屬電極構(gòu)成的簡單三明治結(jié)構(gòu)，可以建立起電荷與磁通之間的直接轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而嚴格滿足第四種基本電路元件的物理定義。他們把這種基于磁電耦合效應(yīng)的第四種基本電路元件命名為電耦器(transtor)，其相應(yīng)的非線性記憶元件命名為憶耦器(memtranstor)，并給出了電耦器和憶耦器的電路響應(yīng)特征。隨著電耦器和憶耦器的引入，可以建立起一張基本電路元件的完整關(guān)系圖，包括四個線性基本元件(電阻器、電容器、電感器、電耦器)和四個非線性記憶元件(憶阻器、憶容器、憶感器、憶耦器)。這一工作從基本電路元件的角度重新審視了磁電耦合效應(yīng)，不僅澄清了一個基礎(chǔ)科學(xué)問題，也為磁電耦合效應(yīng)的應(yīng)用開辟了新的空間。相關(guān)研究成果以RapidCommunication形式發(fā)表在《中國物理B》(Chin.Phys.B24,068402)，并入選了2015年度研究亮點(Highlightsof2015)。

與憶阻器類似，作為第四種非線性記憶元件的憶耦器在開發(fā)新一代信息功能器件方面具有巨大的潛力。孫陽研究組首先基于憶耦器實現(xiàn)了一種全新的非易失信息存儲器。存儲器可以分為易失性(volatile)和非易失性(nonvolatile)兩大類。目前，計算機內(nèi)存采用的動態(tài)和靜態(tài)隨機存儲器(DRAM和SRAM)都屬于易失性，在斷電時存儲的信息立即丟失，因此需要持續(xù)的電源供應(yīng)以維持存儲的信息。非易失存儲器不僅在無電源供應(yīng)時依然可以保持存儲的數(shù)據(jù)，而且可以極大地降低功耗，是未來信息存儲技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。基于不同的存儲介質(zhì)和工作原理，人們已經(jīng)提出了多種非易失隨機存儲器，如磁性存儲器(MRAM)、鐵電存儲器(FeRAM)、阻變存儲器(ReRAM)、相變存儲器(PCRAM)、多鐵性存儲器(MeRAM)等。這些已知的非易失存儲器都是分別利用三個物理量之一來存儲二進制信息，即磁化強度(M)或電極化強度(P)的方向，或者電阻(R)的高低。孫陽、柴一晟和尚大山等開創(chuàng)性地提出一種新的存儲原理，采用另一種物理量——電耦(T)或者等效于磁電耦合系數(shù)(α)來有效地存儲二進制信息。利用憶耦器表現(xiàn)出的蝴蝶曲線非線性磁電耦合效應(yīng)，可以把磁電耦合系數(shù)的正與負分別定義為二進制信息1和0，通過施加脈沖電壓使得磁電耦合系數(shù)在正負之間轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)非易失信息存儲。為了驗證這一新型存儲原理的可行性，博士生申見昕與叢君狀等制備了一個基于PMN-PT/Terfenol-D多鐵性異質(zhì)結(jié)的憶耦器，利用其室溫下的大磁電耦合效應(yīng)，成功演示了可重復(fù)擦寫的非易失信息存儲。

基于憶耦器的新型存儲器采用電寫磁讀，具有高速度、低功耗、并行讀娶結(jié)構(gòu)簡單、易于制備、可選擇的材料廣泛等優(yōu)點。通過進一步優(yōu)化材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，憶耦器有望成為下一代通用型非易失存儲器，具有巨大的應(yīng)用前景。以上研究成果作為Letter發(fā)表于美國物理學(xué)會《物理評論應(yīng)用》(PhysicalReviewApplied6,021001)，并申請了一項PCT國際發(fā)明專利。

該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、科技部和中科院項目的支持。

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圖1.第四種基本電路元件的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2.基本電路元件的完整關(guān)系圖

圖3.基于憶耦器的非易失存儲器工作原理示意圖

(葉瑞優(yōu))

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