通過光的力量揭示物質(zhì)的隱藏階段

大多數(shù)人認(rèn)為水只存在于三個(gè)階段中的一個(gè)階段：固體冰，液態(tài)水或氣體蒸汽。但物質(zhì)可以存在于許多不同的階段 - 例如，冰具有十多個(gè)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(dǎo)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(fēng)和超聲波。

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，金屬氧化物具有“隱藏”相，當(dāng)它被極快的光脈沖激活時(shí)，可以賦予材料新的鐵電性能，分離正電荷和負(fù)電荷的能力。該研究由麻省理工學(xué)院的研究人員Keith A. Nelson，Xian Li和Edoardo Baldini與Andrew M. Rappe和Penn研究生Tian Qiu和Jiahao Zhang合作領(lǐng)導(dǎo)。這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在科學(xué)。

他們的工作打開了創(chuàng)造材料的大門，人們可以通過輕觸開關(guān)在萬億分之一秒內(nèi)打開和關(guān)閉屬性，現(xiàn)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(xiàn)有材料的其他方面 - 例如，將絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倩蚍D(zhuǎn)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(xué)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(jié)構(gòu)，可被“推”到具有極性四方結(jié)構(gòu)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(xiàng)新研究提供了理論基礎(chǔ)，該研究依賴于Nelson使用光來誘導(dǎo)固體材料相變的經(jīng)驗(yàn)以及Rappe在開發(fā)原子級(jí)計(jì)算機(jī)模型方面的知識(shí)。

“[尼爾森]是實(shí)驗(yàn)主義者，我們是理論家，”拉普說。“他可以根據(jù)光譜報(bào)告他認(rèn)為發(fā)生的事情，但是這種解釋是推測性的，直到我們對發(fā)生的事情提供了強(qiáng)有力的物理理解。”

隨著最近技術(shù)的進(jìn)步和從太赫茲頻率工作中獲得的額外知識(shí)，這兩位化學(xué)家開始研究他們的理論，現(xiàn)在已有十多年的歷史了。Rappe的挑戰(zhàn)是用精確的計(jì)算機(jī)生成的鈦酸鍶版本補(bǔ)充尼爾森的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)原子都被跟蹤和表示，它們以與實(shí)驗(yàn)室測試材料相同的方式響應(yīng)光。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈦酸鍶被光激發(fā)時(shí)，離子被拉向不同的方向，帶正電的離子在一個(gè)方向上移動(dòng)，帶負(fù)電的離子在另一個(gè)方向上移動(dòng)。然后，不是離子立即重新落回原位，擺錘被推動(dòng)后的方式，在其他原子中引起的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以防止離子立即回彈。

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

由于他們強(qiáng)大的合作歷史，Nelson和Rappe能夠從理論模擬到實(shí)驗(yàn)來回反復(fù)，反之亦然，直到他們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證據(jù)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(fù)。”

這兩位化學(xué)家將與工程師就未來應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的研究進(jìn)行合作，例如創(chuàng)建具有隱藏階段的新材料，改變光脈沖協(xié)議以創(chuàng)建更持久的階段，以及了解這種方法如何適用于納米材料。目前，兩位研究人員對他們的結(jié)果以及未來這一重大突破可能導(dǎo)致的結(jié)果感到興奮。

“這是每個(gè)科學(xué)家的夢想：與朋友共同創(chuàng)造一個(gè)想法，繪制出這個(gè)想法的后果，然后有機(jī)會(huì)將其轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室中的某些東西，這是非常令人滿意的。它讓我們認(rèn)為我們'重新走上正確的未來軌道，“拉普說。