南京大学孟祥康教授课题组与美国阿肯色大学合作，在铁电材料的弹光效应研究方面取得重要进展，其研究成果“Large Elasto-Optic Effect in Epitaxial PbTiO3 Films”发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 115, 267602 (2015). DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.267602）。南京大学现代工程与应用科学学院陈兰博士为该工作的第一作者。
铁电材料的研究已经开展了70多年，但主要集中在压电性质和介电性质的研究，铁电材料的光学响应的研究却鲜有报道。目前，仅LiNbO3等少数几种铁电材料的弹光性质被科学家关注，因此，铁电材料中的弹光系数与电极化、晶格系数比等物理量的关系至今不为人知，研究这些机制能为设计大弹光系数材料和新的光-机械换能器件提供新的思路。
南京大学和美国阿肯色大学合作团队设计了能获得巨大弹-光系数的方案。该方案基于低对称性的铁电相，在应变场作用下，此铁电相的电极化方向发生转动，晶格常数比连续变化。他们利用第一性原理方法，以钛酸铅（PbTiO3）为研究对象，设计得到了目前最大的弹-光系数材料。研究表明，PbTiO3在较小的拉伸应变下是四方相，在较大的拉伸应变下是正交相，而在这中间大小的应变下是低对称性的单斜相。四方相和正交相的折射率随应变大小表现出不同的反应，四方相折射率随应变增大而增大，而正交相折射率随应变增大而减小，进而表现出四方相和正交相的弹光系数的不同正负性。单斜相架起连接四方相和正交相的桥梁，为使四方相和正交相折射率相连，单斜相的折射率随应变变化必然出现突变，这种突变导致了极大的弹光系数。这项成果推动了铁电、薄膜和光学材料领域研究的发展，开辟了在铁电材料中寻找强弹-光耦合效应的新领域，并会引起机械、光学和铁电等领域科学家的广泛关注。
该项研究得到了固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持，并获得了国家自然科学基金和国家重点基础研究发展计划（973计划）的资助。
图1： PbTiO3的四个相的折射率随应变（a）、晶格常数比（b）和电极化（c）的变化趋势图。