通過光的力量揭示物質的隱藏階段

大多數人認為水只存在于三個階段中的一個階段：固體冰，液態水或氣體蒸汽。但物質可以存在于許多不同的階段 - 例如，冰具有十多個已知的相，或者其原子可以在空間上排列的方式。由于對外力(如壓力，溫度或電力)如何導致相變，使材料具有新特性，因此可以廣泛使用壓電材料，例如麥克風和超聲波。

一項新的研究發現，金屬氧化物具有“隱藏”相，當它被極快的光脈沖激活時，可以賦予材料新的鐵電性能，分離正電荷和負電荷的能力。該研究由麻省理工學院的研究人員Keith A. Nelson，Xian Li和Edoardo Baldini與Andrew M. Rappe 以及研究生田秋和張佳浩合作 領導 。這項研究結果發表在 科學。

他們的工作打開了創造材料的大門，人們可以通過輕觸開關在萬億分之一秒內打開和關閉屬性，現在可以更好地控制。除了改變電勢之外，這種方法還可用于改變現有材料的其他方面 - 例如，將絕緣體轉變為金屬或翻轉其磁極。

“這為快速功能材料重新配置開辟了新的視野，”Rappe說。

該小組研究了鈦酸鍶，一種用于光學儀器，電容器和電阻器的順電材料。鈦酸鍶具有對稱和非極性晶體結構，可被“推”到具有極性四方結構的相中，沿其長軸具有一對帶相反電荷的離子。

Nelson和Rappe 先前的合作 為這項新研究提供了理論基礎，該研究依賴于Nelson使用光誘導固體材料相變的經驗，以及Rappe在開發原子級計算機模型方面的知識。

“[尼爾森]是實驗主義者，我們是理論家，”拉普說。“他可以根據光譜報告他認為發生的事情，但是這種解釋是推測性的，直到我們對發生的事情提供了強有力的物理理解。”

隨著最近技術的進步，以及使用太赫茲頻率獲得的額外知識，這兩位化學家開始研究他們的理論，現在已有十多年的歷史了。Rappe的挑戰是用精確的計算機生成的鈦酸鍶版本補充尼爾森的實驗，每個原子都被跟蹤和表示，它們以與實驗室測試材料相同的方式響應光。

他們發現，當鈦酸鍶被光激發時，離子被拉向不同的方向，帶正電的離子在一個方向上移動，帶負電的離子在另一個方向上移動。然后，不是離子立即重新落回原位，擺錘被推動后的方式，在其他原子中引起的振動運動可以防止離子立即回彈。

就像擺錘在達到其振動的最大高度的那一刻稍微偏離航向，其中一個小凹口將其保持在遠離其初始位置的位置。

由于他們強大的合作歷史，Nelson和Rappe能夠從理論模擬到實驗來回反復，反之亦然，直到他們發現實驗證據表明他們的理論是正確的。

“這真是一場非常棒的合作，”尼爾森說。“它說明了思想如何醞釀，然后在十多年后全力恢復。”

這兩位化學家將與工程師就未來的應用驅動研究進行合作，例如創建具有隱藏階段的新材料，改變光脈沖協議以創建更持久的階段，以及了解這種方法如何用于納米材料。目前，兩位研究人員對他們的結果以及未來這一重大突破可能導致的結果感到興奮。

“這是每個科學家的夢想 - 與朋友一起孵化一個想法，繪制出這個想法的后果，然后有機會將其轉化為實驗室中的某些東西，這是非常令人滿意的。它使我們認為我們正走在未來的正確軌道上，“Rappe說。