7月26日，西湖大學理學院物理系特聘研究員劉仕團隊在《物理評論快報》上發表了最新研究成果，并入選編輯推薦。該研究利用基于機器學習的分子動力學方法，揭示了在經典鐵電材料鈦酸鉛中，通過施加適當的應變，可以誘導出一種新型的螺旋鐵電結構，這種結構展現出巨大的壓電效應。
鐵電螺旋示意圖。課題組供圖
鐵電材料指的是在沒有外加電場下，具有自發電荷極化的材料。鈦酸鉛（PbTiO?）作為最典型的鐵電材料之一，其物理特性和應用前景一直是研究熱點。然而，傳統的鐵電材料研究主要集中在其靜態結構和性質上，對其動態行為和復雜疇結構的探索相對較少。
劉仕團隊采用了密度泛函理論（DFT）和基于機器學習的分子動力學模擬相結合的方法。通過這種方法，他們不僅能夠預測材料的性質，還能夠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結構和性能。
研究發現，在鈦酸鉛中施加適當的應變可以誘導出一種螺旋鐵電結構。這種結構中的電偶極子在三維空間中形成了螺旋排列，展現出高度關聯的動態行為。這種螺旋結構展現出了比傳統多疇結構更優異的壓電性能，其壓電系數甚至可以超過320 pC/N。這一發現為提升鐵電材料的壓電效應提供了新的機制。
研究強調了動態結構在材料性能中的重要性。通過模擬原子的集體行為，團隊揭示了鈦酸鉛在壓電效應上的潛藏優越性，并提出了利用拓撲結構提升壓電性能的新手段。
這項研究不僅在物理層面上發現了鐵電體系中的螺旋拓撲結構，還在科學方法論上展示了AI輔助的分子動力學在揭示材料新物理性質中的應用前景。同時，這項工作也為未來在手性聲子、非共線鐵電拓撲等方面的研究提供了新的思路。
西湖大學理學院物理系博士生胡逸豪為論文第一作者，劉仕為論文通訊作者，博士生楊季元在分子動力學方面提供了重要幫助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.046802
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/10/531421.shtm10月11日，科幻電影《749局》科影融合特別場在京舉行。電影主創團隊與科技領域相......
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