通过光的力量揭示了“隐藏”的物质阶段

大多数人认为水只存在于三个阶段中的一个阶段:固体冰,液态水或气体蒸汽。但物质可以存在于许多不同的阶段 - 例如,冰有十多个已知的阶段,或者它的原子可以在空间上排列的方式。由于对外力(如压力,温度或电力)如何导致相变,使材料具有新特性,因此可以广泛使用压电材料,例如麦克风和超声波。

一项新的研究发现,金属氧化物具有“隐藏”相,当它被极快的光脉冲激活时,可以赋予材料新的铁电性能,分离正电荷和负电荷的能力。该研究由麻省理工学院的研究人员Keith A. Nelson,Xian Li和Edoardo Baldini与Andrew M. Rappe和Penn研究生Tian Qiu和Jiahao Zhang合作领导。这项研究结果发表在科学。

他们的工作打开了创造材料的大门,人们可以通过轻触开关在万亿分之一秒内打开和关闭属性,现在可以更好地控制。除了改变电势之外,这种方法还可用于改变现有材料的其他方面 - 例如,将绝缘体转变为金属或翻转其磁极。

“这为快速功能材料重新配置开辟了新的视野,”Rappe说。

该小组研究了钛酸锶,一种用于光学仪器,电容器和电阻器的顺电材料。钛酸锶具有对称和非极性晶体结构,可被“推”到具有极性四方结构的相中,沿其长轴具有一对带相反电荷的离子。

Nelson和Rappe先前的合作为这项新研究提供了理论基础,该研究依赖于Nelson使用光来诱导固体材料相变的经验以及Rappe在开发原子级计算机模型方面的知识。

“[尼尔森]是实验主义者,我们是理论家,”拉普说。“他可以根据光谱报告他认为发生的事情,但是这种解释是推测性的,直到我们对发生的事情提供了强有力的物理理解。”

随着最近技术的进步和从太赫兹频率工作中获得的额外知识,这两位化学家开始研究他们的理论,现在已有十多年的历史了。Rappe的挑战是用精确的计算机生成的钛酸锶版本补充尼尔森的实验,每个原子都被跟踪和表示,它们以与实验室测试材料相同的方式响应光。

他们发现,当钛酸锶被光激发时,离子被拉向不同的方向,带正电的离子在一个方向上移动,带负电的离子在另一个方向上移动。然后,不是离子立即重新落回原位,摆锤被推动后的方式,在其他原子中引起的振动运动可以防止离子立即回弹。

就像摆锤在达到其振动的最大高度的那一刻稍微偏离航向,其中一个小凹口将其保持在远离其初始位置的位置。

由于他们强大的合作历史,Nelson和Rappe能够从理论模拟到实验来回反复,反之亦然,直到他们发现实验证据表明他们的理论是正确的。

“这真是一场非常棒的合作,”尼尔森说。“它说明了思想如何酝酿,然后在十多年后全力恢复。”

这两位化学家将与工程师就未来应用驱动的研究进行合作,例如创建具有隐藏阶段的新材料,改变光脉冲协议以创建更持久的阶段,以及了解这种方法如何适用于纳米材料。目前,两位研究人员对他们的结果以及未来这一重大突破可能导致的结果感到兴奋。

“这是每个科学家的梦想:与朋友共同创造一个想法,绘制出这个想法的后果,然后有机会将其转化为实验室中的某些东西,这是非常令人满意的。它让我们认为我们'重新走上正确的未来轨道,“拉普说。

该研究得到能源部基础能源科学办公室资助DE-SC0019126和DE-FG02-07ER46431以及瑞士国家科学基金会奖学金P2ELP2-172290的支持。计算支持由能源部的国家能源研究科学计算中心提供。