新研究藉助光的力量揭示物質的「隱藏」相

新研究揭示了鈦酸鍶的「隱藏相」：超快光脈衝激發晶體結構中的原子，進而將材料轉化為新的鐵電相。其他原子的振動則會穩定隱藏相。

大多數人認為水只有3種狀態：固態冰、液態水或氣態蒸汽。然而，關於物質相態的事實並非如此簡單。例如，冰有十多種已知相，具體的相情況與它的原子在空間中的排列方式有關。壓電材料的廣泛應用源於科學家們對外界條件（壓力、溫度或電等）如何導致相變的基本理解，從而賦予材料更多新特性。eurekalert.org網站6月13日報道，美國麻省理工學院和賓夕法尼亞大學的研究人員發現了金屬氧化物的「隱藏相」。隱藏相使材料具備了新的鐵電性質：當材料被超快光脈衝激活時，其正負電荷會發生分離。相關研究成果發表於《科學》（Science）雜誌。

這一研究為製造新材料打開了新天地。由此，研究人員不僅可以快速開閉材料屬性，還能對材料屬性進行更好的控制：除改變電勢外，新方法還可以用於改變現有材料的其他性能。例如將絕緣體轉變成金屬，或使其磁極發生翻轉。項目研究人員Andrew M. Rappe說：「我們為功能材料的快速重組開闢了新思路。」

Rappe等主要研究了鈦酸鍶。鈦酸鍶是一種用於光學儀器、電容器和電阻器的材料。它具有對稱的非極性晶體結構，因而可以被「推入」有極性四方結構的相。在極性四方結構中，其長軸方向有一對帶相反電荷的離子。

Keith A. Nelson和Rappe此前的合作為新研究提供了理論基礎：Nelson在光誘導固體材料相變研究中取得的經驗和Rappe在開發原子級計算機模型方面的心得為新研究奠定了堅實的基礎。Rappe說：「Nelson是實驗主義者，而我們是理論家。他可以根據光譜信息講述他認為正在發生的事情，但在我們找到強有力的物理解釋之前，這隻能是推測。」

隨著技術的進步和從太赫茲頻率研究中獲得的信息，Nelson等開始驗證他們理論的正確性。Rappe在利用計算機生成的精確鈦酸鍶模型來補充Nelson的實驗方面遇到了一些挑戰——Rappe需要保證每一個原子模型對光的響應方式都與實驗材料相同，並對它們進行跟蹤和分析。他們發現，鈦酸鍶被光激發時，正負離子會被「拉」向不同的方向。接著，其他原子中產生的振動作用會阻止兩種離子立即回到初始位置。

Nelson認為這是一次非常棒的合作。他說：「我們的經歷說明，設想可以慢慢『發芽』，然後在10多年後全面『生長』。」在未來，Nelson等將與工程師展開應用驅動方面的合作。例如製造具有隱藏相的新材料和改變光脈衝條件以創造更持久的相等。Rappe補充說：「和朋友一起提出假設、規劃驗證過程，並最終實現實驗室轉化是每個科學家的夢想。這會讓我們堅信正走在通向未來的正確道路上。」

科界原創

編譯：雷鑫宇

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