本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
對我們大多數人來說，“文明”一詞是啟蒙、文化或精緻的代名詞；它讓人聯想到宏偉的公共建築，或讓人聯想到先進的社會系統。但在我看來，文明只不過是衡量材料科學進步狀態的指標，因為從石器時代到青銅時代再到鐵器時代，人類文明的每一次重大進步都是由材料的根本發展驅動的。這種關聯非常強烈，以至於我們甚至以當時占主導地位的材料來命名我們的歷史時代。
在今天的“矽時代”，矽電晶體構成了微電子學的核心，而微電子學使我們的現代生活方式成為可能。在過去的幾十年裡，我們驚人地改進了矽器件的效能，使得笨重的老式臺式電腦轉變為時尚的智慧手機，同時理所當然地認為，正如摩爾定律所描述的那樣，功能呈指數級增長，而尺寸和成本則相應降低。
但是，隨著我們開始遇到構成矽材料的單個原子尺寸所設定的基本物理限制，這場矽革命很快將被迫走向終結。這意味著，在我們現有的框架內，朝著更快、更小、更輕、功能越來越多的產品穩步邁進的步伐無法繼續。
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儘管我們的電子裝置似乎已經足夠輕便、小巧和強大，但事實上，這個障礙對社會來說是一個深刻的問題。微電子技術的全球使用量正在迅速擴張，以至於根據許多預測，在未來幾十年內，全球一半以上的能源將被資訊科技消耗。這種消耗是不可持續的。為了維持和提高我們的全球生活水平，我們需要超越矽時代，而要做到這一點，我們需要一種新材料。
二十年前，我是一名年輕的博士後研究員，在一個專門研究鐵電材料的研究小組中研究鐵磁材料——這些材料包含磁偶極子，其北極和南極沿同一方向排列——鐵電材料是由正負電荷組成的對齊電偶極子的材料。我的計劃是採用我的接待小組開發的用於研究鐵電材料的技術，並將它們應用於鐵磁體的研究；“鐵”這個詞在兩個名稱中都反映了這兩個材料類別之間潛在物理學的相似性。
但我注意到，我研究的材料種類與我的同事們研究的材料種類不同。例如，大多數鐵磁材料是黑色金屬，如鐵，而大多數鐵電材料是透明陶瓷。“為什麼磁性鐵電材料如此之少？”這個問題引起了我的興趣，以至於找到答案成為我的研究計劃的重點。
我的發現非常簡單：形成在材料中產生磁偶極子所需的化學鍵的原子，其化學性質與那些傾向於產生電偶極子的原子不同。但是，沒有根本原因表明這兩種現象不能結合起來。有了這種理解，我的合作者和我能夠開發出一種名為多鐵性材料的新型材料，它們確實既是磁性的又是鐵電的。
那麼，為什麼多鐵性材料如此重要呢？嗯，在今天的技術中，磁性材料是矽的補充——矽用於處理資訊，磁性材料用於儲存資訊，透過磁偶極子的相反方向來表示數位電子裝置的 1 和 0。磁性材料在這方面非常出色，因為這些磁性資料位是穩定的、體積小的並且可以快速訪問。然而，磁性器件是有代價的——產生控制磁性所需的磁場需要笨重的元件並消耗大量能量。
但想象一下，一種既是磁性的又是鐵電的材料所提供的可能性。多鐵性材料仍然具有磁性材料的所有優點，但此外，它們的磁性可以使用電場來控制。與磁場相比，電場是高效的：它們可以由微小的元件製成，並且它們消耗的能量非常少。我們的新型多鐵性材料有望實現全新的器件正規化，以及沿著我們才剛剛開始想象的方向設計技術的不同方式。
為了進入新的“多鐵性材料時代”，我們需要打破哪些牆壁？我們需要開發新型材料，使磁偶極子和電偶極子在室溫下保持穩定，即使我們將它們做得非常小。我們需要充分理解重新定向偶極子的過程，以便使用非常小的電場來完成它。我們需要確保我們的新材料在地球上儲量豐富、環境友好、廉價且易於加工。作為回報，我們的多鐵性材料為我們提供了一個探索大量令人興奮的基礎科學問題的場所，並且可能，僅僅是可能，為下一個材料時代鋪平道路。
編者注：這篇文章是與柏林一年一度的Falling Walls Conference合作製作的，該會議恰逢柏林牆倒塌週年紀念日，並展示了來自世界各地的研究人員的工作，包括本文的作者。