Polar vibrational excitations and glass-like response in relaxor PMN
通过利用基于第一性原理数据训练的原子模型，本研究揭示了弛豫型 PMN 中的成分紊乱产生了一个连续的极化振动激发和一个准局域模式的玻色峰，这些现象共同解释了该材料同时具有晶体有序性以及类玻璃态介电、光学和热响应的特性。
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有些材料是刚性晶体，它们的原子像阅兵式中的士兵一样，被锁定在完美、重复的行列中。另一些则是玻璃，其原子处于冻结的、混乱的状态，就像繁忙街道上突然停下脚步的人群。几十年来，科学家们一直知道这两种状态在加热或冷却时表现得截然不同。但存在第三种令人困惑的材料类别，它们拒绝做出选择。这些被称为弛豫铁电体。在显微镜下，它们看起来像是完美的晶体，然而当它们冷却时，却开始表现得像玻璃一样，失去了以可预测方式响应电场的能力。这种奇特的行为使它们在传感器和电容器领域极其有用，但也让物理学家们抓耳挠腮。一种材料如何能同时既有序又无序？这种双重性为何让它显得如此怪异？
普林斯顿大学的一个研究小组终于开始着手解开这个谜团，他们观察了一种名为 PMN 的特定材料。通过模拟单个原子行为的高性能计算机模拟，他们发现秘密在于材料内部的无序性是如何与其振动能力相联系的。在普通的晶体中，原子以整齐、同步的模式振动，且只有少数特定的振动能与电相互作用。然而在 PMN 中，不同类型原子的随机混合破坏了这种秩序。这种无序迫使材料中的每一次振动都变得具有电活性。它不再产生少数几种清晰的音符，而是产生一种跨越广泛频率范围的、连续不断的电振动轰鸣。这一发现解释了为什么该材料对电场的响应方式是任何普通晶体都无法企及的。
研究人员通过教计算机理解这种材料的物理规则来构建模型，并使用了高水平量子计算的数据。他们创建了一个包含 PMN 特定原子混合方式的数字版本：其中一些区域是完美有序的，而另一些则是随机混乱的。随后，他们观察了这个数字材料从高温流体状态冷却到低温固体状态时的行为。随着温度下降，计算机显示出微小的原子簇开始排列它们的电方向，但它们是以一种混沌、冻结的模式进行的，从未完全稳定成单一的秩序。这证实了该材料的“类玻璃”行为源于这些微小的、冻结的无序区域，它们就像一个无法自由移动的拥挤人群。
这项发现之所以特别重要，是因为它将材料的电学特性与其热学特性联系了起来。模拟显示，PMN 中的无序创造了在普通晶体中并不存在的低频振动盈余。这些额外的振动并非在固体中传播的平滑声波运动，而是局部的抖动——即一小组原子剧烈摇晃，而它们的邻居几乎纹丝不动。研究人员发现，这些抖动的能量遵循一个非常特定的数学规则，这一规则也出现在普通的窗玻璃中。这种低能摇晃的过剩解释了为什么 PMN 在吸收热量方面表现得与其它晶体不同，在接近绝对零度的温度下，其热容呈现出一个明显的峰值。
该研究还阐明了为什么 PMN 会在微波范围内（雷达和通信使用的频率段）对电场做出反应，而普通晶体仅在更高频率下才做出反应。因为无序使得每一种振动都具有电敏感性，所以该材料能够响应缓慢、轻微的电推力。在普通晶体中，原子过于有序，无法感受到这些缓慢的推力；它们只对快速、高能的冲击做出反应。研究人员表明，PMN 的连续振动谱允许它在广泛的范围内吸收能量，从而产生平滑、宽广的响应，而非有序材料中那种尖锐、狭窄的脉冲。这种连续响应是该材料能够高效存储和释放电能的关键。
通过将原子的微观混沌与材料的宏观行为联系起来，这项研究为为什么弛豫体如此不同提供了完整的图景。无序不仅仅是静止在那里；它积极地重塑了材料的振动方式，将每一次振动都转化为电信号，并创造了模仿玻璃行为的低能运动盈余。这项工作不仅描述了发生了什么，还解释了机制，表明 PMN 奇特的电学和热学性质是同一枚硬币的两面，两者都由同一种潜在的无序驱动。虽然模拟无法捕捉到长时间尺度下的极慢运动，但它们成功地再现了材料在高频和高温下的行为，为困扰科学家多年的现象提供了一个清晰的、基于原子层面的解释。
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