这幅图展示了原子团是如何共振的

如上图所示，较大的深红色峰表示振动停止和原子稳定区。记录下理论模型（右）与实际实验测量（左）的相同点。

新发现

德克萨斯州的杜罕通过用中子轰击3000华氏度下的亚锰酸钇（YMnO3）原子发现：这种材料具有罕见电磁特性的原子机制。这一发现可以帮助科学家开发出具有类似特性的新型材料，用于新型计算设备和微致动器。

这个实验是由杜克大学和橡树岭国家实验室（ORNL）合作完成的，并于2018年在Nature Communications上发表。

铁磁性

铁磁性是描述像铁那样的永磁体现象的科学术语。材料具有铁磁性是因为它们的分子结构组成中有一些相同指向的微小磁性片。每一小片或区域都有一个磁偶极矩，一个北极和一个南极，合起来就产生了我们常见的磁场，就像冰箱门开关时一样。

铁电性与铁磁性相似，但更难以概念化。与永磁铁大致相同，铁电材料由电偶极矩相互对准的畴组成。 这会产生一个自然发生的永久电场，就像一串带有持久静电荷的微观球体。

亚锰酸钇

亚锰酸钇是兼具铁电性和极低温度下磁有序性的罕见材料之一。 这种罕见的组合使得用电控制材料的磁性存在着可能性，反之亦然。 利用亚锰酸钇这种性质可以让科学家们基于四个数字状态创造更有效率的计算机，而不仅仅是今天的1和0（仅通过电、磁状态的转换）。还能制造出新型传感器和能量转换器。

杜克大学机械工程与材料科学与物理学副教授Olivier Delaire说过这些所谓的铁电-铁磁兼具的材料非常少见。但是如果我们能够理解它们在原子水平上的变化机制，那么我们就能更好的设计和发现更多能够应用于新技术的材料。

由于亚锰酸钇的铁电行为在3000华氏度以上发生转变，所以研究人员从来没有探测到促使微观电偶极子排列产生的原子振动波。 虽然钇锰铁矿铁电性能的分子基础已经被理论化，但从来没有直接的测试来证明它们。

为了确定这种性质如何产生，研究人员必须探测材料中原子堆积的波浪状振动，这种振动以每秒10000多亿次的频率振荡。它们还需要在铁电开关温度（3000华氏度）以上或者以下重复同样的实验。这是一项艰巨的任务，但这正是研究人员所要做的。

杜克大学Delaire研究小组的博士后学者Dipanshu Bansal说：“测量3000华氏度以上的原子振荡非常具有挑战性。“它需要高强度的中子束，特殊的高温材料，以及可控气氛的炉子，在空气中加热样品，以避免样品分解。否则则需要在更高标准的真空炉中加热。

实验具体内容

实验是用中子轰击极高温的亚锰酸钇样品。研究人员通过检测中子与样品原子碰撞后结束的位置，来确定原子在哪里以及它们如何共振。世界上很少有地方有这种检测能力，而距离杜克公司几小时车程的橡树岭国家实验室碰巧同时拥有高通量同位素反应堆和散裂中子源两种器件，散裂中子源这台仪器是世界上最强大的中子源器件。

研究人员利用各种能量和波长的中子探测样品材料，全面了解其原子行为。他们发现，在转变温度以上，一定数量的原子可以自由移动并以特定的方式一起振动。但是当材料冷却并发生相转变时，这些原子就冻结在一起变成具有铁电性质的永久晶体。

为了证实中子轰击后的结果，研究人员还使用了阿贡国家实验室先进光子源的超高亮度X射线光束，以及在劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心使用超级计算机对原子行为进行了大规模的量子模拟。

展望

Bansal和Delaire说：“这种材料从来没有在如此精细的原子级别上被了解。虽然我们已经有了关于原子振荡的重要理论，但这是我们第一次直接证实这些理论，我们的实验结果将使研究人员能够改进理论并建立更好的模型，以便在将来设计出更好的产品。”

原作：Ken Kingery

译者：至尊小宝

译自：eurekalert