新型螺旋鐵電結(jié)構(gòu)展現(xiàn)巨大壓電效應(yīng)

西湖大學特聘研究員劉仕團隊利用基于機器學習的分子動力學方法，揭示了在經(jīng)典鐵電材料鈦酸鉛中，通過施加適當?shù)膽?yīng)變，可以誘導出一種新型螺旋鐵電結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出巨大的壓電效應(yīng)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《物理評論快報》。

劉仕團隊采用密度泛函理論和基于機器學習的分子動力學模擬相結(jié)合的方法，不僅能夠預(yù)測材料的性質(zhì)，還能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?shù)膽?yīng)變可以誘導出一種螺旋鐵電結(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320PC/N。這一發(fā)現(xiàn)為提升鐵電材料的壓電效應(yīng)提供了新機制。

此外，通過模擬原子的集體行為，研究團隊揭示了鈦酸鉛在壓電效應(yīng)方面的潛在優(yōu)越性，并提出了利用拓撲結(jié)構(gòu)提升壓電性能的新手段。

該研究不僅在物理層面發(fā)現(xiàn)了鐵電體系中的螺旋拓撲結(jié)構(gòu)，還在科學方法論上展示了人工智能輔助的分子動力學在揭示材料新物理性質(zhì)方面的應(yīng)用前景，也為未來手性聲子、非共線鐵電拓撲等方面的研究提供了新思路。