发现

  在整整100年前,1920年,Joseph Valasek当时还是美国明尼苏达大学的博士研究生,他在William Swann的指导下进行研究。Valasek想要开发一种地震仪来测量地震中的震动,他想知道是否可以通过压电晶体来实现这一点。这种晶体具有独特的性质,在受到挤压时会产生电信号

  他手边有的压电材料是一种单晶物质,这种物质提取自葡萄酒,被称为罗谢尔盐,也就是四水合酒石酸钾钠(KNaC4H4O6·4H2O)当Valasek把这种材料的样品放在电场(E)中时,他注意到极化强度(P)出现了不寻常的现象。

  Valasek发现的铁电材料中E与P的S曲线关系,及其中展现的滞后现象。这种现象后来也在其他材料中被发现。

  当电场开启时,极化增强,P与E的关系图呈S形曲线;然而,当电场再次降低时,尽管遵循着相似的曲线,但极化总是比之前更高。换句话说,极化强度的精确值取决于电场是正在上升还是正在下降——它展现出了滞后现象。

  Swann和Valasek并不知道是什么导致了滞后,但这一发现指向了一类全新的材料,这些材料现在被称为铁电体(ferroelectrics)。这个术语是薛定谔在更早些的时候发明的,当时他预言了某些液体在变成固体时能自发地极化,不过Swann和Valasek对此并不知晓。Valasek在一次访谈中表示,铁电的发现确实带着一些“幸运”,可能是某种“幸运的直觉”。

  然而实际上,更直接的幸运似乎在当时并没有眷顾他们,这一发现起初基本上“无人问津”,20世纪初的大多数物理学家对量子物理学和其他基本现象更感兴趣,因而尽管Valasek发表了数篇论文,但在整个20年代,几乎没有人在尝试为这种现象建立理论基础。

  发展 

  随后的与铁电相关的研究进展得并不快,直到第二次世界大战期间,另一种铁电材料钛酸钡(BaTiO3的发现,才进一步地推动了这一领域的发展。与罗谢尔盐不同,钛酸钡不溶于水,在室温下化学性质稳定,具有更好的电学性质和机械性质。因此,钛酸钡成了制造高能量密度电容器的理想材料。

  直到战后,研究人员才意识到它是一种铁电材料,它的电学性质存在着标志性的滞后现象。实验学家开始对铁电体进行细致的晶体学分析,理论学家也逐步理解铁电体的行为。

  20世纪50年代末,数百种不同的氧化物基的铁电材料已经被发现。物理学家对它们的电学性质进行了测试,并衡量了它们在新器件应用中的潜力。到了20世纪60年代末,物理学家已经知道三大类都表现出类似的滞后现象的材料,也就是铁电体铁磁体铁弹体。它们的共同点是,相邻的晶畴具有一种特殊属性,它“指向”相反的方向,可以被外场“改变”成指向同一个方向。对铁电体的来说,这种特殊属性是电偶极,对铁磁体来说是磁性,对铁弹性体而言则是应变。

  一些科学家开始将这些材料归为铁性体,尽管许多物质并不含铁。20世纪70年代,第四类铁性材被发现,被称为铁环向体(ferrotoroidics),它在环向磁场(电场和磁场的向量积)中具有滞后效应。研究人员还发现了在单相或复合结构中结合多种铁性性质的材料,也就是多铁性体(multiferroics),典型的例子包括“磁电”材料,其中磁化可以由电场控制,而极化可以由磁场操控。

  应用 

  铁电体最有趣的在于这类材料还同时是压电材料(在压力下发电)热电材料(在温度变化时发电),这些独特的性质使得铁电体得以广泛应用。电机工程与计算机工程学教授Amar Bhalla与物理学家Avadh Saxena介绍了他们认为的铁电体的五个最具潜力的应用。

  未来

  在铁电现象被发现的一个世纪之后,这个原本小众的领域已经取得了巨大发展。相关研究甚至扩展到生物学领域,比如,人们在猪的氨基酸和主动脉血管壁中发现了铁电行为。

  其他有趣的发展还包括一些特殊材料,例如弛豫铁电体(介电响应取决于外加电场的频率)量子顺电性(量子涨落抑制铁电序的开始)。研究人员也开始研究二维铁电体,这也指向了一些对研究人体格外有帮助的新型纳米器件和传感器。毕竟,皮肤、头发、指甲和其他许多生物组织在暴露于电场时也会表现为压电体和铁电体。

  即使是基础物理学也无法抵挡铁电体的“魅力”。研究人员最近首次在铁电材料中观察到被称为“极性斯格明子(polar skyrmion)和“极性霍普夫子(polar hopfion)的奇异拓扑缺陷。

  一个世纪前一位研究生进行的“无关紧要”的实验观测,如今造福了人们的生活。在未来100年甚至更长的时间里,它还将继续为科学、技术和生活带来巨大改变。

  参考来源:

  https://physicsworld.com/a/ferroelectricity-100-years-on/

  https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/2345

  视觉动画&插图:雯雯子

  图片来源:

  封面:DmiShin home/github (https://dmishin.github.io/crystals/rochelle-salt.html)

  文首图:Fousek, J。/Ferroelectrics (doi.org/10.1080/00150199508236015)

  内文插图:NASA/Pixabay/pexel


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