2026年10月14日——奥本大学的物理学家利用激光闪光，使晶体内部微小的带电“岛屿”变得有序。这一发现有助于回答一个存在数十年的问题：这种材料如何自我组织；同时也表明，光如何可被用来控制其行为——这是朝着探索信息处理和存储新技术迈出的一步。

这项研究由 Wencan Jin 和研究生 Mohamed Kandil 领导。Wencan Jin 是奥本大学物理系的 Thomas and Jean Walter 捐赠副教授。他们的研究 “Optical Poling of a Quantum Ferroelectric Metal across the Order-Disorder Phase Transition” 被 《物理评论快报》 选为编辑推荐。日本产业技术综合研究所的合作者生长了实验中使用的晶体。

该团队研究了一种改性钛酸锶，这是一种单晶材料，具有不同寻常的电学性质组合。它允许电子穿过，同时内部还包含带有明显正负两极的微小岛屿。这些被称为极性纳米区的岛屿可以指向不同方向，也可以排列成有序图案。理解是什么使它们排列起来，可能有助于科学家解释这种材料的行为，并找到控制它的新方法。

数十年来，研究人员一直在争论这种组织是如何开始的。是原子一起位移，从而产生极化态，还是微小的极性岛屿早已存在，只是随着材料冷却而排列起来？想象一下，组建一群人，和让已经身处人群中的人面朝同一方向，两者之间的差别。区分这些可能性很困难，因为这些岛屿太小，信号也太微弱。

为了观察正在发生的情况，奥本团队构建了一个高度灵敏的基于激光的测量系统。通过研究晶体如何改变入射光，研究人员能够在反复加热和冷却样品时追踪这些岛屿的排列。在较高温度下，这些岛屿指向无序方向。随着晶体冷却，它们稳定到优先取向上。结果提供了强有力的证据，表明这些岛屿在排列之前就已经存在。

随后，该团队证明光本身可以使这些岛屿排列。短暂的激光脉冲使那些在较高温度下原本会保持无序的区域变得有序，而一种光学测量使研究人员能够检测由此产生的图案。这种排列只持续了一皮秒，即 10^-12 秒，但证明它可以利用光来产生和读取，为研究处理信息的极快方式开辟了可能性。

让实验成功需要多年的坚持。该项目始于 2023 年美国物理学会三月会议，Jin 在那里与能够生长这些晶体的日本研究人员建立了联系。随后，奥本团队花了近一年时间改进设备，才检测到这些岛屿微弱的光学信号。即使如此，另一个挑战仍然存在：捕捉激光使它们排列一致的那个短暂瞬间。

“突破出现在 2025 年，当时 Mohamed 终于观察到无序的极性区域在激光照射下变得排列一致，”Jin 说。“看到那个信号出现，对团队来说是一个激动人心的时刻。”

对 Kandil 来说，这项研究是他的第一篇论文，也是三年实验工作的结晶。“这个实验确实是 Mohamed 的一段漫长探索，”Jin 说。“他花了三年专注投入才完成这项工作，并实现自己的首次发表。”

这些发现既为研究人员提供了关于这种材料如何自我组织的更清晰解释，也提供了一种探索难以观察行为的新方法。通过利用光来检测和控制这些微小、快速变化的区域，奥本团队正在打开一扇窗口，窥探那些隐藏的电学图案可能有助于启发未来技术的材料。