铁电百年诞辰，归来仍是少年

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

铁电开篇文献及其作者Joseph · Valasek

1920年4月23日，在美国物理学会春季会议上，年轻的研究生Joseph Valasek报道了他在罗息盐(C₄O₆H₄KNa,酒石酸钾钠)晶体中的发现“…the dielectric displacement D, electric intensity E, and polarization P ...are analogous to B, H, and Z in the case of magnetism；…is due to a hysteresis in P analogous to magnetic hysteresis.” 同年12月4日，他向物理学期刊《Physical Review》提交了论文全文，次年的4月1日，题为《Piezo-electric and allied phenomena in Rochelle salt》的论文正式发表。这篇仅七页的论文，没有过多花哨的图片，却开启了一个领域的纪元。今年，恰逢铁电诞辰百年，国际知名材料学期刊《Nature Materials》通过社论的形式刊文，以纪念这一领域的百年变迁。

铁电性的发现具有重大的科学意义，此外，铁电性也具有重要的技术价值。Valasek是首次明确的认识到铁电性的本质及其主要特征的第一人，例如，相变或居里点、可逆电极化和畴结构。在当时，尽管这些物理效应仅在罗息盐晶体中被发现，他却进行了极为系统的研究，从本质上彻底明确了其主要物理属性。不幸的是，直到Valasek的研究兴趣转向其他领域之时，这一重要发现的普遍意义并没有被学术界所重视。因为在二十世纪的二十年代，那时的物理界正专注于量子革命，固体物理学并不是主流的研究领域。直到二十世纪五十年代中期，以铁电性为主要代表的相变和协同作用才真正开花。从这点而言，Valasek的科学眼界远远超前于那个时代，毕竟在当时，多年以来罗息盐一直是铁电性的独一实例。回望百年，Valasek的工作从某种角度阐释了基础研究对为未来技术进步奠定“根基”的长期重要性。重视细致、微小、微妙的科学现象，并持续开展研究，正是科学真正的初心所在。

1993年10月4日，Valasek教授安静地离开了这个世界。次年，美国物理联合会(AIP)的旗舰刊物《Physics Today》刊发了Valasek去世的讣告，文中这样评价他“Because Valasek was a pioneer whose main work was done well before his field became popular, and because he was very quiet and modest and did not seek recognition and honor for his work, he never achieved the recognition he deserved.”（他是一个谦和的人，并且没有为他的工作寻求认可和荣誉，所以他从未获得应有的认可。）

从二十世纪五十年代开始，以BaTiO3, PZT等钙钛矿氧化物的铁电性的发现开始，铁电时代才算是真正意义上的复兴。同早期发现的分子基铁电材料相比，钙钛矿体系的晶体结构简单，更便于揭示其隐含的物理意义，再加之氧化物材料具有的热稳定性，大的铁电极化，共同促进了铁电领域的发展。A. F. Devonshire将热力学唯象理论应用到铁电体，促进了铁电宏观理论的发展。1976年，德国物理学家罗尔夫·兰道尔(Rolf Landauer)注意到铁电反转过程存在自由能垒，因而必定存在一个局域曲率为负的区域，这意味着，原则上该部分的电容也为负值。直到近四十年后(2014)，来自加州大学伯克利分校的研究才在铁电薄膜中观测到负电容效应导致的电压放大(Nat. Mater. 14, 182–186)。而就在去年(2019)，德国的研究人员也通过巧妙的实验设计完成了Landau-Gingzburg-Denvonshire唯象理论的双势阱模型中，亚稳态的能量势垒的实验测量(Nature 565, 464–467)。

Rochelle salt under polarized light, showing evidence of different ferroelectric domains. Credit: Sciencephotos/Alamy Stock Photo

进入二十一世纪，以分子铁电为代表的铁电新成员日益壮大，我国科研人员在这一领域做出了突出的学术贡献。此外，金属铁电体的实验证实、二维铁电性的蓬勃兴起，以及以电卡、弹卡效应为代表的多卡效应的复兴，都为铁电及相关体系的发展注入了新鲜血液。特别地，以准同型相界(MPB)、弛豫体纳米畴工程、点缺陷诱导等为代表的铁性材料性能优化范式的广阔发展，使铁电及相关材料系的发展进入了新的阶段。

然而，我们也要客观的看到，同其他凝聚态物理、材料物理、材料化学等领域相比，铁电领域的发展速度还是相对较慢。铁电领域亟待新的、颠覆性的理论与实验成果的发现，例如，颠覆MPB范式的性能优化策略的出现、柔性铁电材料的便利化制备策略的发展、新的铁电统一物理理论的构建，以及能大规模商业化的铁电器件的发展。

百年铁电，滞回伊始。
电荷偶极，风采依旧。
归来少年，滞回不老。
下个百年，披荆斩棘。

点击“阅读原文”查看论文原文。

扩展阅读

  交流极化颠覆认知，弛豫铁电电光压电齐飞
 铁电材料极化保持研究取得进展
铁电畴的无奈、顺从与协同响应
Nature吹起极化大泡泡: 室温铁电斯格明子问世!

本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容

媒体转载联系授权请看下方