Исследователи применили зентропию для предсказания свойств ферроэлектриков

Системы во Вселенной стремятся к беспорядку, и только приложенная энергия сдерживает хаос. Это понятие называется энтропией, и примеры можно найти повсюду: таяние льда, горение костра, кипение воды. Однако теория зентропии добавляет к этому еще один уровень. 

Теорию разработала группа специалистов под руководством Зи-Куи Лю (Zi-Kui Liu), профессора материаловедения и инженерии Дороти Пейт Энрайт (Dorothy Pate Enright) из Университета штата Пенсильвания. Буква «Z» в слове zentropy означает не то, что вы подумали, а немецкое слово Zustandssumm — „сумма по состояниям“ энтропии. В качестве альтернативы, по словам Лю, зентропию можно рассматривать как игру с термином „дзен“ из буддизма и энтропией для получения представления о природе системы. Идея, по словам Лю, заключается в том, чтобы рассмотреть, как энтропия может проявляться в различных масштабах внутри системы, что поможет предсказать возможные результаты ее функционирования под влиянием окружающей среды.

Лю и его исследовательская группа опубликовали свою последнюю работу, посвященную этой концепции, в которой приводятся доказательства того, что этот подход может дать возможность предсказать результаты экспериментов и обеспечить более эффективное открытие и разработку новых ферроэлектрических материалов. Работа, в которой использована интуиция и много физики для создания беспараметрического способа предсказания поведения перспективных материалов, опубликована в журнале Scripta Materialia.

По словам исследователей, ферроэлектрики обладают уникальными свойствами, что делает их ценными для различных применений как в настоящее время, так и при разработке материалов. Одним из таких свойств является спонтанная электрическая поляризация, которая может быть изменена на противоположную путем приложения электрического поля, что способствует развитию различных технологий — от ультразвука до струйных принтеров, от энергоэффективной оперативной памяти для компьютеров до управляемого ферроэлектриками гироскопа в смартфонах, обеспечивающего плавное видео и четкие фотографии.

Для разработки этих технологий исследователям необходимо экспериментально понять поведение такой поляризации и ее изменение на противоположную. Для повышения эффективности экспериментов их обычно строят на основе прогнозируемых результатов. Как правило, такие прогнозы требуют корректировки, называемой «подгонкой параметров», для более точного соответствия реальным переменным, на определение которых требуется время и энергия. Однако зентропия позволяет объединить статистическую механику „сверху вниз“ и квантовую механику „снизу вверх“, чтобы предсказать экспериментальные показатели системы без таких корректировок.

Конечно, в конечном счете, эксперименты являются окончательной проверкой, но мы обнаружили, что зентропия может дать количественное предсказание, которое значительно сужает круг возможностей, — сказал Лю.

Вы можете разрабатывать лучшие эксперименты для изучения ферроэлектрического материала, и исследовательская работа может продвигаться гораздо быстрее, а это значит, что вы экономите время, энергию и деньги и становитесь более эффективными.

Хотя Лю и его сотрудники успешно применяли теорию зентропии для предсказания магнитных свойств целого ряда материалов для различных явлений, найти способ ее применения к ферроэлектрическим материалам оказалось непросто. В настоящей работе исследователи сообщили о том, что нашли метод применения теории зентропии к сегнетоэлектрикам, сфокусировав внимание на титанате свинца. Как и все ферроэлектрики, титанат свинца обладает электрической поляризацией, которая может изменяться на противоположную при приложении внешних электрических полей, изменении температуры или механических напряжений.

Когда электрическое поле изменяет направление электрической поляризации на противоположное, система переходит из упорядоченного состояния в одном направлении в неупорядоченное, а затем снова в упорядоченное, поскольку система переходит в новое направление. Однако такая ферроэлектричность проявляется только ниже критической температуры, характерной для каждого ферроэлектрического материала. Выше этой температуры ферроэлектричество — способность к обратной поляризации — исчезает и появляется параэлектричество — способность к поляризации. Это изменение называется фазовым переходом. Измерение этих температур может дать критическую информацию о результатах различных экспериментов, говорит Лю. Однако предсказать фазовый переход до начала эксперимента практически невозможно.

Ни одна теория и метод не могут точно предсказать свободную энергию ферроэлектрических материалов и фазовые переходы до начала экспериментов, — сказал Лю.

Наилучшее предсказание температуры перехода более чем на 100 градусов расходится с реальной температурой эксперимента.

Такое расхождение возникает из-за неизвестных неопределенностей в моделях, а также из-за подгонки параметров, которая не могла учесть всю существенную информацию, влияющую на реальные измерения. Например, часто используемая теория характеризует макроскопические особенности ферроэлектричества и параэлектричества, но не учитывает микроскопические особенности, такие как динамические доменные стенки — границы между областями с различными поляризационными характеристиками внутри материала. Эти конфигурации являются строительными блоками системы и существенно флуктуируют в зависимости от температуры и электрического поля.

В сегнетоэлектриках конфигурация электрических диполей в материале может изменять направление поляризации. Исследователи применили зентропию для предсказания фазовых переходов в титанате свинца, в том числе определили три типа возможных конфигураций в материале.

По словам Лю, предсказания, сделанные исследователями, оказались эффективными и согласуются с наблюдениями, сделанными в ходе экспериментов и опубликованными в научной литературе. Используя общедоступные данные об энергии доменных стенок, они предсказали температуру перехода в 776 градусов Кельвина, что показало значительное совпадение с наблюдаемой экспериментально температурой перехода в 763 градуса Кельвина. По словам Лю, команда работает над дальнейшим уменьшением разницы между предсказанной и наблюдаемой температурами с помощью более точных прогнозов энергии доменных стенок в зависимости от температуры.

По словам Лю, способность предсказывать температуру перехода настолько близко к реальным измерениям может дать ценные сведения о физике ферроэлектрических материалов и помочь ученым улучшить экспериментальные схемы.

Это, по сути, означает, что еще до проведения экспериментов можно получить некоторые интуитивные представления и предсказания о том, как ведет себя материал как микроскопически, так и макроскопически, — сказал Лю.

Мы можем начать точно предсказывать результат еще до начала эксперимента.

В сегнетоэлектриках конфигурация электрических диполей в материале может изменять направление поляризации. Исследователи применили зентропию для предсказания фазовых переходов в титанате свинца, в том числе определили три типа возможных конфигураций в материале.

По словам Лю, предсказания, сделанные исследователями, оказались эффективными и согласуются с наблюдениями, сделанными в ходе экспериментов и опубликованными в научной литературе. Используя общедоступные данные об энергии доменных стенок, они предсказали температуру перехода в 776 градусов Кельвина, что показало значительное совпадение с наблюдаемой экспериментально температурой перехода в 763 градуса Кельвина. По словам Лю, команда работает над дальнейшим уменьшением разницы между предсказанной и наблюдаемой температурами с помощью более точных прогнозов энергии доменных стенок в зависимости от температуры.

По словам Лю, способность предсказывать температуру перехода настолько близко к реальным измерениям может дать ценные сведения о физике ферроэлектрических материалов и помочь ученым улучшить экспериментальные схемы.

Это, по сути, означает, что еще до проведения экспериментов можно получить некоторые интуитивные представления и предсказания о том, как ведет себя материал как микроскопически, так и макроскопически, — сказал Лю.

Мы можем начать точно предсказывать результат еще до начала эксперимента.

11.08.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло
Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло

Если проникнуть глубоко-глубоко под повер...

Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак
Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак

Загрязнения, извергаемые бурно развивающейся м...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса