新型螺旋鐵電結構展現巨大壓電效應

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螺旋鐵電結構，這種結構展現出巨大的壓電效應。相關研究成果近日發表于《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合的方法，不僅能夠預測材料的性質，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320PC/N。這一發現為提升鐵電材料的壓電效應提供了新機制。

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方面的潛在優越性，并提出了利用拓撲結構提升壓電性能的新手段。

該研究不僅在物理層面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人工智能輔助的分子動力學在揭示材料新物理性質方面的應用前景，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。