這幅圖展示了原子團是如何共振的

如上圖所示，較大的深紅色峰表示振動停止和原子穩定區。記錄下理論模型（右）與實際實驗測量（左）的相同點。

新發現

德克薩斯州的杜罕通過用中子轟擊3000華氏度下的亞錳酸釔（YMnO3）原子發現：這種材料具有罕見電磁特性的原子機制。這一發現可以幫助科學家開發出具有類似特性的新型材料，用于新型計算設備和微致動器。

這個實驗是由杜克大學和橡樹嶺國家實驗室（ORNL）合作完成的，并于2018年在Nature Communications上發表。

鐵磁性

鐵磁性是描述像鐵那樣的永磁體現象的科學術語。材料具有鐵磁性是因為它們的分子結構組成中有一些相同指向的微小磁性片。每一小片或區域都有一個磁偶極矩，一個北極和一個南極，合起來就產生了我們常見的磁場，就像冰箱門開關時一樣。

鐵電性與鐵磁性相似，但更難以概念化。與永磁鐵大致相同，鐵電材料由電偶極矩相互對準的疇組成。 這會產生一個自然發生的永久電場，就像一串帶有持久靜電荷的微觀球體。

亞錳酸釔

亞錳酸釔是兼具鐵電性和極低溫度下磁有序性的罕見材料之一。 這種罕見的組合使得用電控制材料的磁性存在著可能性，反之亦然。 利用亞錳酸釔這種性質可以讓科學家們基于四個數字狀態創造更有效率的計算機，而不僅僅是今天的1和0（僅通過電、磁狀態的轉換）。還能制造出新型傳感器和能量轉換器。

杜克大學機械工程與材料科學與物理學副教授Olivier Delaire說過這些所謂的鐵電-鐵磁兼具的材料非常少見。但是如果我們能夠理解它們在原子水平上的變化機制，那么我們就能更好的設計和發現更多能夠應用于新技術的材料。

由于亞錳酸釔的鐵電行為在3000華氏度以上發生轉變，所以研究人員從來沒有探測到促使微觀電偶極子排列產生的原子振動波。 雖然釔錳鐵礦鐵電性能的分子基礎已經被理論化，但從來沒有直接的測試來證明它們。

為了確定這種性質如何產生，研究人員必須探測材料中原子堆積的波浪狀振動，這種振動以每秒10000多億次的頻率振蕩。它們還需要在鐵電開關溫度（3000華氏度）以上或者以下重復同樣的實驗。這是一項艱巨的任務，但這正是研究人員所要做的。

杜克大學Delaire研究小組的博士后學者Dipanshu Bansal說：“測量3000華氏度以上的原子振蕩非常具有挑戰性。“它需要高強度的中子束，特殊的高溫材料，以及可控氣氛的爐子，在空氣中加熱樣品，以避免樣品分解。否則則需要在更高標準的真空爐中加熱。

實驗具體內容

實驗是用中子轟擊極高溫的亞錳酸釔樣品。研究人員通過檢測中子與樣品原子碰撞后結束的位置，來確定原子在哪里以及它們如何共振。世界上很少有地方有這種檢測能力，而距離杜克公司幾小時車程的橡樹嶺國家實驗室碰巧同時擁有高通量同位素反應堆和散裂中子源兩種器件，散裂中子源這臺儀器是世界上最強大的中子源器件。

研究人員利用各種能量和波長的中子探測樣品材料，全面了解其原子行為。他們發現，在轉變溫度以上，一定數量的原子可以自由移動并以特定的方式一起振動。但是當材料冷卻并發生相轉變時，這些原子就凍結在一起變成具有鐵電性質的永久晶體。

為了證實中子轟擊后的結果，研究人員還使用了阿貢國家實驗室先進光子源的超高亮度X射線光束，以及在勞倫斯伯克利國家實驗室的國家能源研究科學計算中心使用超級計算機對原子行為進行了大規模的量子模擬。

展望

Bansal和Delaire說：“這種材料從來沒有在如此精細的原子級別上被了解。雖然我們已經有了關于原子振蕩的重要理論，但這是我們第一次直接證實這些理論，我們的實驗結果將使研究人員能夠改進理論并建立更好的模型，以便在將來設計出更好的產品。”