铁电拓扑有序态研究取得重要进展

稀、饭 9小时前 51浏览

铁电拓扑结构在非易失性和超高密度信息存储等方面具有重要的应用价值。然而，高密度的存储应用必然依赖于大范围铁电拓扑畴的有序化分布。近期，松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心马秀良研究团队发现极性斯格明子超晶体，并在实验上证实多波矢相互耦合进而稳定极性斯格明子超晶体的物理模型。2025年1月16日，相关研究结果以“Dipolar wavevector interference induces a polar skyrmion lattice in strained BiFeO₃ films”为题，在线发表在《自然-纳米科技》(Nature Nanotechnology)期刊上。

这一发现是继通量全闭合(Science, 2015)、双相涡旋(ACS Nano, 2018)、半子(Nature Materials, 2020)、电偶极化波(Science Advances, 2021)，布洛赫点(Nature Communications, 2024)之后，该研究团队在有关铁电拓扑畴结构方面的又一项重要进展。

自铁电拓扑结构相继通过实验发现以来，基于外场作用下的原位电子显微学方法证实了拓扑结构及其结构演化的可控性，强化了其作为存储功能单元的可行性。然而，稳定、高密度的存储应用必然依赖于大范围铁电拓扑畴的有序化定向分布，其形成前提是铁电体系内引入周期性的应变、电场分布及沿有序化方向的协同耦合，这就需要通过巧妙的实验设计使铁电体在特定边界条件下实现各种能量态的平衡。以往研究中多数基于超晶格/多层膜中复杂界面效应调控出极性拓扑结构，通常以平行于薄膜表面的一维有序态分布为主要特征。这类一维有序态作为信息技术的功能单元应用于超高密度存储难度较大。

该研究团队通过原子尺度的外延生长，在LaAlO₃衬底上制备出极大压应变（-4.36%）下的BiFeO₃超薄薄膜。像差校正条件下的透射电子显微学成像以及在此基础上的定量分析发现BiFeO₃薄膜中具有一维(1D)和二维(2D)超结构调制。二维调制结构伴随着周期性的电场和应变分布，并稳定了网格状分布的铁电斯格明子晶体。该斯格明子晶体在倒空间表现为两个倒易方向上的周期性超衍射峰，因此可归类为双波矢(2q)的拓扑有序态（图1）。另外，以单波矢(1q)为特征的一维拓扑有序态实现了涡旋管阵列的稳定（图2）。

铁电斯格明子晶体的形成可归因于两个相互垂直的单波矢(1q)拓扑有序态相交并交互作用，它们在相交区域晶格、电荷的协同耦合进而形成双波矢(2q)的拓扑有序态，即斯格明子晶体（图3）。该工作通过相场模拟确定了电学Dzyaloshinskii-Moriya相互作用在铁电拓扑有序态形成中发挥的决定性作用（图4），在实验上证实了铁磁体系中关于形成拓扑有序态的物理模型在铁电体系中的相似性。

该工作表明在铁电材料中，拓扑有序态的周期和对称性能够得到有效的调控，未来有望进一步发现各向同性拓扑有序、各向异性拓扑有序等新型多重波矢拓扑态。这些新型拓扑态及其伴随的新奇物理特性必然为新一代铁电存储带来更广的应用。

松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心耿皖荣副研究员为该论文的第一作者，大湾区显微科学与技术研究中心朱银莲研究员、中国科学院金属研究所博士生朱美雄为共同第一作者。松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心/中国科学院物理研究所马秀良研究员为该论文的通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、中国博士后科学基金、广东省量子科学战略计划、中国科学院前沿科学重点研究项目等项目的共同资助和支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01845-5