反畸变极化子：晶格介导电荷捕获的新机制及其在多功能材料中的普适性

本研究通过第一性原理计算揭示了WO3中新型"反畸变极化子"的形成机制，突破了传统Landau-Pekar、Fr?hlich和Jahn-Teller极化子模型的局限。研究发现电荷局域化源于对材料本征畸变运动的局部消除，通过动态共价效应降低带隙实现电荷捕获。该机制在多种钙钛矿材料中具有普适性，为调控电致变色、光伏和离子电池等性能提供了新思路。

　　

在材料科学领域，极化子（polaron）作为电荷载流子与晶格相互作用的量子准粒子，一直是理解高温超导、电致变色和光催化等现象的核心概念。然而近百年来，科学界对极化子的认知始终局限于Landau-Pekar、Fr?hlich、Holstein和Jahn-Teller等传统模型框架。这些理论虽具开创性，却难以解释某些复杂氧化物（如三氧化钨WO₃）中观察到的特殊极化子行为——特别是其独特的二维盘状结构和中等尺寸特征。这一认知缺口严重制约了人们对极化子相关功能的精准调控，阻碍了新一代功能材料的开发。

比利时那慕尔大学（Université de Namur）的Hamideh Hassani、Eric Bousquet和Philippe Ghosez团队联合安特卫普大学（Universiteit Antwerpen）的研究人员，通过创新性的第一性原理计算，在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。他们发现WO₃中的极化子形成机制与传统模型截然不同：电荷局域化并非来自额外畸变的激活，而是源于对材料本征结构畸变的局部消除。这种被称为"反畸变极化子"（anti-distortive polaron）的新机制，通过调节W 5d_xy与O 2p轨道间的动态共价作用，实现带隙调控和电荷捕获。研究还建立了普适性量子点模型，证实该机制在多种钙钛矿家族材料中存在。

研究采用混合泛函密度泛函理论（hybrid-DFT）方法，在包含576原子的超胞中进行计算。关键技术包括：1）B1-WC杂化泛函优化电子结构；2）投影声子本征位移分析原子畸变；3）量子点模型量化极化子形成能；4）多相带隙比较揭示电子结构演化规律；5）AGATE软件实现模式分解分析。

反传统极化子的结构特征

在P2₁/c相WO₃中，极化子呈现半径7.5-8.5?的二维盘状分布，与Salje实验观测完美吻合。其核心区域W-O配位环境趋向高对称性，与原始相形成鲜明对比。

声子模式解密形成机制

极化子畸变主要来自布里渊区中心非极性拉曼模（|η_Ra^m?），而非预期的极性或Jahn-Teller模。这种畸变实质上是抵消了P2₁/c相固有的X₅^-反极性和R₄⁺氧八面体旋转畸变。

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量子点模型定量验证

建立的E_f^pol=min{E_latt(x,R)+E_elec(x)+E_conf(x,R)}模型成功预测极化子自发形成（E_f^pol≈-100 meV），参数与DFT结果高度一致。

材料普适性验证

在MoO₃、YAlO₃和YTaO₄等材料中均发现类似机制，证实反畸变极化子广泛存在于畸变化合物中。

这项研究从根本上革新了人们对极化子物理的认知框架。提出的反畸变机制不仅解释了WO₃中长期悬而未决的实验现象，更为多种功能材料（包括电致变色器件、光催化剂和离子电池电极）的性能优化提供了全新调控维度。通过应变工程、外场调控等手段定向修饰材料本征畸变，有望实现对极化子态的人为操控，这为开发新一代智能材料开辟了道路。该成果将极化子研究从传统模型限制中解放出来，标志着凝聚态物理和材料科学领域的重要概念突破。