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