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(gè)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(duì)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(dāng)時(shí)沒有找到符合這種定義的真實(shí)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(dāng)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(shí)驗(yàn)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(duì)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?yàn)閼涀杵魇腔诜蔷€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(shí)驗(yàn)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(shí)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(qiáng)度或者電場改變磁化強(qiáng)度的物理現(xiàn)象。他們通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基于一個(gè)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(yán)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(gè)線性基本元件(電阻器、電容器、電感器、電耦器)和四個(gè)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(gè)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(diǎn)(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(shí)現(xiàn)了一種全新的非易失信息存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器可以分為易失性(volatile)和非易失性(nonvolatile)兩大類。目前，計(jì)算機(jī)內(nèi)存采用的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM和SRAM)都屬于易失性，在斷電時(shí)存儲(chǔ)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(chǔ)的信息。非易失存儲(chǔ)器不僅在無電源供應(yīng)時(shí)依然可以保持存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，而且可以極大地降低功耗，是未來信息存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。基于不同的存儲(chǔ)介質(zhì)和工作原理，人們已經(jīng)提出了多種非易失隨機(jī)存儲(chǔ)器，如磁性存儲(chǔ)器(MRAM)、鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)、阻變存儲(chǔ)器(ReRAM)、相變存儲(chǔ)器(PCRAM)、多鐵性存儲(chǔ)器(MeRAM)等。這些已知的非易失存儲(chǔ)器都是分別利用三個(gè)物理量之一來存儲(chǔ)二進(jìn)制信息，即磁化強(qiáng)度(M)或電極化強(qiáng)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(chǔ)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(chǔ)二進(jìn)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(fù)分別定義為二進(jìn)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(fù)之間轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)非易失信息存儲(chǔ)。為了驗(yàn)證這一新型存儲(chǔ)原理的可行性，博士生申見昕與叢君狀等制備了一個(gè)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(chǔ)。

基于憶耦器的新型存儲(chǔ)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(diǎn)。通過進(jìn)一步優(yōu)化材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，憶耦器有望成為下一代通用型非易失存儲(chǔ)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(huì)《物理評(píng)論應(yīng)用》(PhysicalReviewApplied6,021001)，并申請(qǐng)了一項(xiàng)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(xiàng)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(chǔ)器工作原理示意圖

(葉瑞優(yōu))

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