西湖大學(xué)特聘研究員劉仕團(tuán)隊(duì)利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分子動(dòng)力學(xué)方法，揭示了在經(jīng)典鐵電材料鈦酸鉛中，通過(guò)施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以誘導(dǎo)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(píng)論快報(bào)》。

劉仕團(tuán)隊(duì)采用密度泛函理論和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合的方法，不僅能夠預(yù)測(cè)材料的性質(zhì)，還能模擬大量原子在溫度和電場(chǎng)共同作用下的集體行為，從而揭示材料的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和性能。

研究發(fā)現(xiàn)，在鈦酸鉛中施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變可以誘導(dǎo)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(dòng)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(guò)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(jī)制。

此外，通過(guò)模擬原子的集體行為，研究團(tuán)隊(duì)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還在科學(xué)方法論上展示了人工智能輔助的分子動(dòng)力學(xué)在揭示材料新物理性質(zhì)方面的應(yīng)用前景，也為未來(lái)手性聲子、非共線鐵電拓?fù)涞确矫娴难芯刻峁┝诵滤悸贰?/p>