钙钛矿作为研究最广泛的铁电材料，因其卓越的光学和电学特性，被广泛地应用于先进光电设备和信息存储器件领域。此类材料在不同环境条件下具有丰富的物相结构，并能在它们之间表现出超快的位移相变，探究其中相变的机理和调控方法，具有重要科学价值和广阔应用前景。尽管钙钛矿材料的相变研究一直备受科研人员关注，但其光致相变的潜在机制依然需要深入理解，从而发展低能耗、易操作、无损的可控相变方法。

    图1. PbTiO3的几何相变示意图。(a)顺电相（PE）和铁电相（FE）的晶体结构。(b) PbTiO3在FE1、PE和FE2态的原子结构。(c)晶格势能面相对于极化Px和极化Pz的示意图。

    最近，西安交通大学材料学院材料创新设计中心（CAID）周健教授课题组基于非线性光响应理论，提出了一种非共振的太赫兹激光触发材料相变手段。近期，组内成员通过包含非简谐效应的第一性原理计算，证明中等强度的太赫兹光脉冲可在典型多晶态钙钛矿材料PbTiO3和BaTiO3中构建两种潜在相变路径，以控制铁电极化的出现及其方向（图1）。

    图2. (a)室温下PbTiO3的相对吉布斯自由能与线偏振光电场大小的关系。(b) 交变电场下PbTiO3 铁电相中的非共振声子响应，只有拉曼活性模式出现。

    该工作计算了材料电子和离子系统贡献的光电极化率，由此评估室温条件下太赫兹光辐射引起的PbTiO3和BaTiO3体系中吉布斯自由能的变化（图2），结果揭示了低对称性铁电结构向高对称性顺电结构的光诱导相变模式，且改变入射光的偏振方向和强度可实现不同铁电取向之间的转变。此外，利用交变电场修饰的分子动力学模拟，该工作预测了适当频率和强度的太赫兹脉冲仅激发PbTiO3体系中的拉曼活性模式（图2），验证文中太赫兹辐射诱导钙钛矿氧化物的相变是一个非线性光学过程。这一过程与之前提出的高阶声子相互作用等方案截然不同，可以不需要激发红外模式而直接诱导相变所需的声子，从而有效地降低相变过程中的产热、并提高能量利用于。这里提出的光力学诱导铁电相变机制可以很容易地推广到其他钙钛矿体系和铁电材料中，为开发下一代光激发铁电器件提供一种可行之策。
    日前，该研究成果以"Vibrational-Anharmonicity-Assisted Phase Transitions in Perovskite Oxides Under Terahertz Irradiation"为题发表于应用物理期刊Physical Review Applied 20, 024020 (2023)上。论文第一作者为课题组的硕士研究生周聪，周健教授为通讯作者，该研究受到国家自然科学基金面上/青年项目和西安交通大学高性能计算平台的支持。