铁电体线性光学与电光性质的热力学理论

铁电体材料是光通信、集成光学和量子计算等关键光学技术的基础。然而，缺乏一致的热力学框架来预测铁电体的光学性质以及铁电极化、光学性质与光学色散之间的相互关联。例如，现有热力学模型无法建立铁电极化与可见光谱范围内光学性质之间的关系。本文提出了铁电体线性光学和电光性质的热力学理论，通过区分晶格与电子对总极化的贡献。我们引入晶格与电子贡献之间的二次耦合，这一模型经第一性原理计算和实验测量验证。以钆钛酸铋（BaTiO3）为例，推导了其随温度和波长变化的各向异性光学性质，包括完整的线性光学介电张量以及线性电光（Pockels 效应），并通过多个铁电相变过程得到，这些结果与现有实验数据和第一性原理计算高度一致。该通用框架包含材料几乎所有光学性质，包括离子序参数与电子序参数之间的耦合，以及其色散和温度依赖性，从而为分析铁电体基光子器件中的光-物质相互作用提供了强大的理论工具。