Zentropy和創造新型鐵電材料的藝術

宇宙中的系統趨于無序，只有施加能量才能保持混亂。這個概念稱為熵，例子隨處可見：冰融化、篝火燃燒、水沸騰。然而，Zentropy 理論又增加了另一個層次。

賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程系多蘿西·佩特·恩萊特教授劉子奎領導的團隊開發了這一理論。zentropy 中的“Z”代表德語單詞 Zustandssumm，意思是熵的“狀態總和”。劉說，或者，Zentropy 可以被認為是佛教中“禪宗”一詞和熵的一種發揮，以深入了解系統的本質。劉說，這個想法是考慮熵如何在系統內的多個尺度上發生，以幫助預測系統在受到周圍環境影響時的潛在結果。

劉和他的研究團隊發表了關于這一概念的最新論文，提供了證據表明該方法可以提供一種預測實驗結果的方法，并能夠更有效地發現和設計新型鐵電材料。這項工作結合了一些直覺和大量物理學知識，提供了一種無參數途徑來預測先進材料的行為，發表在Scripta Materialia上。

研究人員表示，鐵電體具有獨特的特性，使其對于現在和開發材料的各種應用都很有價值。其中一項特性是自發電極化，可以通過施加電場來逆轉，這促進了從超聲波到噴墨打印機，到計算機的節能 RAM，再到智能手機中的鐵電驅動陀螺儀等技術，可實現流暢的視頻和清晰的照片。

為了開發這些技術，研究人員需要進行實驗來了解這種極化及其逆轉的行為。為了提高效率，研究人員通常根據預測結果來設計實驗。通常，此類預測需要進行稱為“擬合參數”的調整，以緊密匹配現實世界的變量，這需要時間和精力來確定。但是，zentropy 可以整合自上而下的統計力學和自下而上的量子力學來預測系統的實驗測量，而無需進行此類調整。

“當然，歸根結底，實驗是最終的測試，但我們發現，zentropy 可以提供定量預測，可以顯著縮小可能性，”劉說。“你可以設計更好的實驗來探索鐵電材料研究工作可以進展得更快，這意味著您可以節省時間、精力和金錢，并且效率更高。”

雖然劉和他的團隊已經成功地應用Zentropy理論來 預測一系列材料的各種現象的磁性 ，但發現如何將其應用于鐵電材料一直很棘手。在當前的研究中，研究人員報告找到了一種將熵理論應用于鐵電體的方法，重點關注鈦酸鉛。與所有鐵電體一樣，鈦酸鉛具有電極化，當施加外部電場、溫度變化或機械應力時，電極化可以逆轉。

當電場反轉電極化時，系統從一個方向的有序轉變為無序，然后當系統進入新方向時再次有序。然而，這種鐵電性僅在每種鐵電材料特有的臨界溫度以下發生。高于此溫度，鐵電性(反轉極化的能力)消失，而順電性(極化的能力)出現。這種變化稱為相變。劉說，這些溫度的測量可以表明有關各種實驗結果的關鍵信息。然而，在實驗之前預測相變幾乎是不可能的。

“沒有任何理論和方法可以在實驗之前準確預測鐵電材料的自由能和相變，”劉說。“對轉變溫度的最佳預測與實驗的實際溫度相差100度以上。”

這種差異的產生是由于模型中未知的不確定性，以及擬合參數無法考慮影響實際測量的所有顯著信息。例如，一種常用的理論描述了鐵電性和順電性的宏觀特征，但沒有考慮動態疇壁(材料內具有不同極化特征的區域之間的邊界)等微觀特征。這些配置是系統的構建模塊，并且會隨著溫度和電場的變化而顯著波動。

在鐵電體中，材料中電偶極子的配置可以改變極化方向。研究人員應用中心熵來預測鈦酸鉛的相變，包括識別材料中三種可能的配置。

劉說，研究人員做出的預測是有效的，并且與科學文獻中報道的實驗中的觀察結果一致。他們使用公開的磁疇壁能量數據來預測 776 開爾文的轉變溫度，與觀察到的 763 開爾文的實驗轉變溫度顯著吻合。劉說，該團隊正在努力進一步減少預測溫度和觀測溫度之間的差異，更好地預測疇壁能量隨溫度的變化。

劉說，這種預測轉變溫度的能力與實際測量結果非常接近，可以為鐵電材料的物理學提供有價值的見解，并幫助科學家改進他們的實驗設計。

“這基本上意味著在進行實驗之前，你可以對材料的微觀和宏觀行為有一些直覺和預測方法，”劉說。“我們可以在實驗前開始準確預測結果。”

與劉一起參與這項研究的其他研究人員包括來自賓夕法尼亞州立大學的材料科學與工程研究教授尚順利;王毅，材料科學與工程研究教授;杜景蓮 (Jinglian Du) 是該研究當時的材料科學與工程研究員。