一位博士生的意外发现，如今造福了全人类-虎嗅网

1920年，当时仍是博士研究生的Joseph Valasek发现了铁电现象。100年后，无数应用随之发展出来，推动着科学进步，并造福了人类的生活。本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：原原，视觉动画&插图：雯雯子，内文插图：NASA/Pixabay/pexel

一、发现

在整整100年前，1920年，Joseph Valasek当时还是美国明尼苏达大学的博士研究生，他在William Swann的指导下进行研究。Valasek想要开发一种地震仪来测量地震中的震动，他想知道是否可以通过压电晶体来实现这一点。这种晶体具有独特的性质，在受到挤压时会产生电信号。

他手边有的压电材料是一种单晶物质，这种物质提取自葡萄酒，被称为罗谢尔盐，也就是四水合酒石酸钾钠（KNaC4H4O6·4H2O）。当Valasek把这种材料的样品放在电场（E）中时，他注意到极化强度（P）出现了不寻常的现象。

Valasek发现的铁电材料中E与P的S曲线关系，及其中展现的滞后现象。这种现象后来也在其他材料中被发现。

当电场开启时，极化增强，P与E的关系图呈S形曲线；然而，当电场再次降低时，尽管遵循着相似的曲线，但极化总是比之前更高。换句话说，极化强度的精确值取决于电场是正在上升还是正在下降——它展现出了滞后现象。

Swann和Valasek并不知道是什么导致了滞后，但这一发现指向了一类全新的材料，这些材料现在被称为铁电体（ferroelectrics）。这个术语是薛定谔在更早些的时候发明的，当时他预言了某些液体在变成固体时能自发地极化，不过Swann和Valasek对此并不知晓。Valasek在一次访谈中表示，铁电的发现确实带着一些“幸运”，可能是某种“幸运的直觉”。

然而实际上，更直接的幸运似乎在当时并没有眷顾他们，这一发现起初基本上“无人问津”，20世纪初的大多数物理学家对量子物理学和其他基本现象更感兴趣，因而尽管Valasek发表了数篇论文，但在整个20年代，几乎没有人在尝试为这种现象建立理论基础。

二、发展

随后的与铁电相关的研究进展得并不快，直到第二次世界大战期间，另一种铁电材料钛酸钡（BaTiO3）的发现，才进一步地推动了这一领域的发展。与罗谢尔盐不同，钛酸钡不溶于水，在室温下化学性质稳定，具有更好的电学性质和机械性质。因此，钛酸钡成了制造高能量密度电容器的理想材料。

直到战后，研究人员才意识到它是一种铁电材料，它的电学性质存在着标志性的滞后现象。实验学家开始对铁电体进行细致的晶体学分析，理论学家也逐步理解铁电体的行为。

20世纪50年代末，数百种不同的氧化物基的铁电材料已经被发现。物理学家对它们的电学性质进行了测试，并衡量了它们在新器件应用中的潜力。到了20世纪60年代末，物理学家已经知道三大类都表现出类似的滞后现象的材料，也就是铁电体、铁磁体和铁弹体。它们的共同点是，相邻的晶畴具有一种特殊属性，它“指向”相反的方向，可以被外场“改变”成指向同一个方向。对铁电体的来说，这种特殊属性是电偶极，对铁磁体来说是磁性，对铁弹性体而言则是应变。

一些科学家开始将这些材料归为铁性体，尽管许多物质并不含铁。20世纪70年代，第四类铁性材被发现，被称为铁环向体（ferrotoroidics），它在环向磁场（电场和磁场的向量积）中具有滞后效应。研究人员还发现了在单相或复合结构中结合多种铁性性质的材料，也就是多铁性体（multiferroics），典型的例子包括“磁电”材料，其中磁化可以由电场控制，而极化可以由磁场操控。

三、应用

铁电体最有趣的在于这类材料还同时是压电材料（在压力下发电）和热电材料（在温度变化时发电），这些独特的性质使得铁电体得以广泛应用。电机工程与计算机工程学教授Amar Bhalla与物理学家Avadh Saxena介绍了他们认为的铁电体的五个最具潜力的应用。