莫斯科物理和技术研究所 晶体内部的水分子
信用:MIPT达里亚·索科尔 MIPT太赫兹光谱实验室的研究人员与他们的俄罗斯和国际同事一起发现了纳米混水的一个新阶段；被限制在由堇青石晶格离子形成的纳米腔内的独立水分子
对偶极-偶极耦合水分子网络中相变的第一次可靠的实验观察本身就是一个重要的根本性突破
但是除此之外，这个发现的现象也可以在铁电体、人工量子系统和生物相容的纳米电子学中找到实际应用
这项研究是MIPT科学家和舒布尼科夫晶体学研究所的研究人员共同努力的结果
M
普罗霍罗夫皇家科学院普通物理研究所、斯科尔特奇、索博列夫地质和矿物学研究所、新西伯利亚州立大学，以及他们来自德国(斯图加特大学)、捷克共和国(布拉格物理研究所)和日本(东京大学)的同事
这项研究的结果发表在《自然通讯》上
“我们正在寻找电偶极子晶格的新相位，我
e
该研究的发起人之一、MIPT太赫兹光谱实验室的初级研究员米哈伊尔·贝尔延奇科夫解释说
“已经发现了大量不同的磁偶极子相位，但是对与磁偶极子无关而是与点电偶极子有关的材料相位的研究仍处于早期阶段
此外，电偶极晶格是一种铁电体，可能有很好的微电子应用前景
" 堇青石晶体
信用:存款照片 众所周知，通过实验实现点电偶极子的晶格是一项具有挑战性的任务
通常，物理学家使用所谓的干涉光学晶格——一种周期性的场结构，是由激光束干涉产生的
将待研究材料的超冷原子放入晶格点
但是MIPT太赫兹光谱实验室的研究人员发现了一种更有效的方法
他们将具有相当高的电偶极矩的独立水分子放入所谓的电介质基质中，在这种情况下，该基质是沸石晶格，具有由晶格离子形成的周期性分布的纳米级空隙
然后，人们得到一个容易处理的样品(晶体)，其中几乎没有水分子(在晶体生长过程中)被捕获在这些空隙中——所谓的纳米离子水
该样品可在包括室温在内的各种温度和不同环境(电场、压力等)下进行研究
)
然而，研究的关键结果是在3K(–270℃)的相当低的温度下实现的
所研究的极性水分子的电偶极子晶格是基于堇青石晶体——沸石家族的一员
研究人员在3 K的温度下观察到三维纳米水分子网络中的有序-无序铁电相变
数字
堇青石晶体内部极性水分子电偶极子晶格有序状态示意图
偶极矩用箭头表示
有序状态通过铁电(红色ab面)和反铁电(蓝色bc面)有序的共存来表现
铁电平面沿着晶体的c轴反铁电交替
信用:图片由研究人员提供 “以前，我们曾研究过位于绿柱石基质中的类似纳米水分子，绿柱石是一种晶体，其结构与堇青石非常相似
即使在0，我们也没有记录这个系统中分子偶极的排序
3 K，我们能达到的最低温度
原因可能是绿柱石晶格相对较高的对称性(六边形)以及在如此低的温度下控制水的性质的量子力学现象，”米哈伊尔·贝尔延奇科夫指出
“与此同时，正是堇青石较低的(正交)晶体对称性引发了由其晶格承载的水分子阵列的相变
" 为了分析和解释实验结果，研究人员采用了计算机建模
蒙特卡罗模拟和其他数学方法被用来数值求解极其复杂的多粒子薛定谔方程desc描述的相互作用极性水分子的电偶极子系统
计算机建模有助于在微观——或者更确切地说是纳米尺度上可视化有序相
然而，科学家们再次感到惊讶，因为这个阶段被证明是相当不寻常的
这表现为水偶极矩的铁电和反铁电序的共存
它可以被可视化为一堆交替排列的偶极片，其中每两个相邻片中的偶极反平行取向(见图
)
模拟还表明，有序水偶极子的结构(图中的箭头)可能更加复杂
当水分子只填满晶体的一些空腔时，就会发生这种情况
在这种情况下，薄片中的偶极箭头在不同的域中分组
“研究纳米水分子不仅对电偶极子晶格领域具有重要意义，而且有助于加深对自然现象的理解，甚至有可能构建生物相容的纳米电子器件
这是一个快速发展的领域，预示着基于生物材料的新型高效电子产品，”MIPT太赫兹光谱实验室负责人鲍里斯·戈尔舒诺夫评论道
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
