新研究借助光的力量揭示物质的“隐藏”相

新研究揭示了钛酸锶的“隐藏相”：超快光脉冲激发晶体结构中的原子，进而将材料转化为新的铁电相。其他原子的振动则会稳定隐藏相。

大多数人认为水只有3种状态：固态冰、液态水或气态蒸汽。然而，关于物质相态的事实并非如此简单。例如，冰有十多种已知相，具体的相情况与它的原子在空间中的排列方式有关。压电材料的广泛应用源于科学家们对外界条件（压力、温度或电等）如何导致相变的基本理解，从而赋予材料更多新特性。eurekalert.org网站6月13日报道，美国麻省理工学院和宾夕法尼亚大学的研究人员发现了金属氧化物的“隐藏相”。隐藏相使材料具备了新的铁电性质：当材料被超快光脉冲激活时，其正负电荷会发生分离。相关研究成果发表于《科学》（Science）杂志。

这一研究为制造新材料打开了新天地。由此，研究人员不仅可以快速开闭材料属性，还能对材料属性进行更好的控制：除改变电势外，新方法还可以用于改变现有材料的其他性能。例如将绝缘体转变成金属，或使其磁极发生翻转。项目研究人员Andrew M. Rappe说：“我们为功能材料的快速重组开辟了新思路。” 

Rappe等主要研究了钛酸锶。钛酸锶是一种用于光学仪器、电容器和电阻器的材料。它具有对称的非极性晶体结构，因而可以被“推入”有极性四方结构的相。在极性四方结构中，其长轴方向有一对带相反电荷的离子。

Keith A. Nelson和Rappe此前的合作为新研究提供了理论基础：Nelson在光诱导固体材料相变研究中取得的经验和Rappe在开发原子级计算机模型方面的心得为新研究奠定了坚实的基础。Rappe说：“Nelson是实验主义者，而我们是理论家。他可以根据光谱信息讲述他认为正在发生的事情，但在我们找到强有力的物理解释之前，这只能是推测。”

随着技术的进步和从太赫兹频率研究中获得的信息，Nelson等开始验证他们理论的正确性。Rappe在利用计算机生成的精确钛酸锶模型来补充Nelson的实验方面遇到了一些挑战——Rappe需要保证每一个原子模型对光的响应方式都与实验材料相同，并对它们进行跟踪和分析。他们发现，钛酸锶被光激发时，正负离子会被“拉”向不同的方向。接着，其他原子中产生的振动作用会阻止两种离子立即回到初始位置。

Nelson认为这是一次非常棒的合作。他说：“我们的经历说明，设想可以慢慢‘发芽’，然后在10多年后全面‘生长’。”在未来，Nelson等将与工程师展开应用驱动方面的合作。例如制造具有隐藏相的新材料和改变光脉冲条件以创造更持久的相等。Rappe补充说：“和朋友一起提出假设、规划验证过程，并最终实现实验室转化是每个科学家的梦想。这会让我们坚信正走在通向未来的正确道路上。” 

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编译：雷鑫宇    

责编：唐林芳 

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

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