(作者:溫才妃,劉逸飛 來源:中國科學(xué)報)
7月26日,西湖大學(xué)理學(xué)院物理系特聘研究員劉仕團(tuán)隊(duì)在《物理評論快報》上發(fā)表了最新研究成果,并入選編輯推薦。該研究利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分子動力學(xué)方法,揭示了在經(jīng)典鐵電材料鈦酸鉛中,通過施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變,可以誘導(dǎo)出一種新型的螺旋鐵電結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出巨大的壓電效應(yīng)。
鐵電材料指的是在沒有外加電場下,具有自發(fā)電荷極化的材料。鈦酸鉛(PbTiO?)作為最典型的鐵電材料之一,其物理特性和應(yīng)用前景一直是研究熱點(diǎn)。然而,傳統(tǒng)的鐵電材料研究主要集中在其靜態(tài)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上,對其動態(tài)行為和復(fù)雜疇結(jié)構(gòu)的探索相對較少。
劉仕團(tuán)隊(duì)采用了密度泛函理論(DFT)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分子動力學(xué)模擬相結(jié)合的方法。通過這種方法,他們不僅能夠預(yù)測材料的性質(zhì),還能夠模擬大量原子在溫度和電場共同作用下的集體行為,從而揭示材料的動態(tài)結(jié)構(gòu)和性能。
研究發(fā)現(xiàn),在鈦酸鉛中施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變可以誘導(dǎo)出一種螺旋鐵電結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中的電偶極子在三維空間中形成了螺旋排列,展現(xiàn)出高度關(guān)聯(lián)的動態(tài)行為。這種螺旋結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了比傳統(tǒng)多疇結(jié)構(gòu)更優(yōu)異的壓電性能,其壓電系數(shù)甚至可以超過320 pC/N。這一發(fā)現(xiàn)為提升鐵電材料的壓電效應(yīng)提供了新的機(jī)制。
研究強(qiáng)調(diào)了動態(tài)結(jié)構(gòu)在材料性能中的重要性。通過模擬原子的集體行為,團(tuán)隊(duì)揭示了鈦酸鉛在壓電效應(yīng)上的潛藏優(yōu)越性,并提出了利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提升壓電性能的新手段。
這項(xiàng)研究不僅在物理層面上發(fā)現(xiàn)了鐵電體系中的螺旋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),還在科學(xué)方法論上展示了AI輔助的分子動力學(xué)在揭示材料新物理性質(zhì)中的應(yīng)用前景。同時,這項(xiàng)工作也為未來在手性聲子、非共線鐵電拓?fù)涞确矫娴难芯刻峁┝诵碌乃悸贰?/p>
西湖大學(xué)理學(xué)院物理系博士生胡逸豪為論文第一作者,劉仕為論文通訊作者,博士生楊季元在分子動力學(xué)方面提供了重要幫助。