在非极性介质中设计产生极性拓扑结构

在非极性介质中设计产生极性拓扑构造

拓扑来源于数学，研究的是几何图形或空间在持续形变下保持不变的性质，又被称为“橡皮膜上的几何学”。

非平淡的拓扑构造，如图一所示的涡旋和斯格明子等近些年是凝集态物理研究的一个重点，在流体动力学、超导和铁磁等范畴均有广泛研究。对于介电材料体系，偶极子也能在晶格自由度和电荷自由度的合营调控下产生扭转，形成拓扑稳定的极性构造。

比拟于磁性资估中的拓扑自旋构造，极性拓扑构造的研究进展迟缓，直到比来几年才有明显起色。制约其研究成长的一个重要原因是，极性拓扑构造的形成前提加倍苛刻。与自旋类似，平日情况下偶极子也偏向于平行分列形成平淡畴，而非扭转形成拓扑构造。且介电材料的各向异性平日比磁性材料更强，是以使偶极子扭转形成拓扑构造所需的驱动力也更大年夜。

除此之外，极性拓扑构造具有的能量并不稳定，假如没有异常合适的界线前提来保持，它们就会弛豫回到平淡畴构造。是以，极性拓扑构造的制备窗口和稳定存在的窗口都比较窄。另一方面，极性拓扑构造很难表征。它们的尺寸平日在纳米甚至亚纳米量级，且单个拓扑构造内的原子构造高度不平均。只有当它们形陈规矩有序的阵列时，宏不雅表征手段才能够探测到它们，不然平均效应会吞没它们的构造特点。

图一. 典范的拓扑构造

是以，固然很多年前理论学家就经由过程基于第一性道理计算猜测了铁电纳米构造中可能存在极性拓扑构造，然则极性拓扑构造实验研究的爆发重要照样受益于先辈电子显微术的成长。电镜单胞标准上测量极化矢量的才能为新鲜极性拓扑构造的搜寻供给了眼睛。2011年，潘晓晴团队应用球差改正电镜成像在多铁BiFeO3界面上不雅察到了涡旋构造阵列。同年，贾春林团队在Pb(ZrTi)O3薄膜界面上不雅察到了极化持续扭转的涡旋构造。2015年，沈阳金属所马秀良研究组在PbTiO3/SrTiO3(PTO/STO)超晶格发清楚明了极性闭合畴，在科学界引起广泛存眷。随后极性涡旋阵列、泡泡畴、刺猬型、斯格明子、女婿等接踵被发明。

比来，清华大年夜学南策文、沈洋组在铁电聚合物中也发清楚明了新鲜的极性拓扑构造。而极性拓扑构造的一些新鲜物性，如可控的导电性、涡旋手性、涡旋负电容效应等，也逐渐被揭示，为后摩尔时代电子学器件比如低功耗场效应晶体管等供给了更多的机会。

然而，今朝为止所有发明的极性拓扑构造都是只存在于铁电资估中。那么，可否在非极性介质中产生稳定的极性构造呢？假如可能必定可以或许拓展极性拓扑物理的研究范畴。

近日，由北京大年夜学、浙江大年夜学、湘潭大年夜学、南边科技大年夜学等多个课题组构成的研究团队共同努力，在非极性介质STO中设计产生了亚纳米尺寸的极性反涡旋构造，并揭示了其原子构型，摸索了其相图、形成机理、极化大年夜小、介电性质、拓扑相变行动。该成果以“Creating Polar Antivortex in PbTiO3/SrTiO3 Superlattice”揭橥在Nature Communications上。

图二 .Kosterlitz-Thouless相变（来源https://www.sciencenewsforstudents.org/article/math-predicts-weird-materials-leads-2016-physics-nobel）

由Kosterlitz和Thouless的开创性工作可知，在Kosterlitz-Thouless相变过程中可能会形成涡旋-反涡旋对，如图二所示。比拟于形成单个涡旋或反涡旋，这种涡旋-反涡旋对可以明显降低形成能。实际上，在超导以及铁磁体系中都不雅察到了如许的涡旋-反涡旋对。2016年美国伯克利的研究人员在PTO /STO超晶格中的PTO层中也发清楚明了阵列型的拓扑涡旋。之后国际上多个课题组对该氧化物超晶格体系开展了广泛的研究，然则，一向没有在个中发明反涡旋的踪迹。

新工作的研究团队认为可能有两个方面的原因：没有找到合适的发展窗口或构造表征精度不敷。是以，他们起首经由过程体系的相场模仿构建相图，发明反涡旋切实其实可能存在然则存在的窗口很狭小。更有意思的是，反涡旋并不是存在于铁电层PTO中，而是存在于名义上的非极性材料STO中。在此基本上，他们奇妙设计了人工梯度超晶格构造，应用多种定量原子像分析办法确认了反涡旋切实其实存在，并定量分析了其极化的大年夜小。发明极化大年夜小可以高达三十微库每平方厘米（跨越钛酸钡的极化值）。相场模仿说清楚明了反涡旋的形成是静电能起主导感化，而弹机能几乎不起感化。同时应用反涡旋破坏的临界电场检测了不合厚度STO中反涡旋的稳定性。模仿的成果进一步揭示了可以经由过程电驱动实现对反涡旋的调控，实现STO中局部介电滞回特点，还可以经由过程加热和降温引诱拓扑构造相变，神似于Kosterlitz-Thouless (K-T)相变。

该工作初次在实验上实现了在非极性介质中产生极性拓扑构造，将极性拓扑构造的搜寻范围由铁电材料拓展到通俗的电介质材料。实际上，研究团队应用相场模仿预言了应用p-n、微纳加工等方法也可能在纯的STO中产生反涡旋，并不依附于人工超晶格构造。此外，该工作初次获得亚十纳米构造的极性涡旋-反涡旋对阵列，完成了极性拓扑中一个重要的缺掉环节，进一步验证了 (K-T)相变理论在极性体系的实用性。最后，该工作为极性反涡旋的存在给出了原子标准证据。

图三.(a) 相场模仿的 (PbTiO3)n/(SrTiO3)m相图，个中n表示PbTiO3的单胞层数，m表示 SrTiO3的单胞层数。不合厚度对应不合的相。个中黑色框标记的*区域对应的是反涡旋可以或许存在的窗口。(b) 相场模仿：当m = 4和n =10时，夹在两个涡旋之间会形成比较完美的反涡旋阵列。(c) 实验：原子像。箭头是由原子像计算获得的位移矢量（近似正比于极化矢量）。(d) STO中极化大年夜小。（e）静电能、弹机能、临界电场。

北京大年夜学研究生Adeel Y. Abid和孙元伟、浙江大年夜学研究生侯旭、湘潭大年夜学谭丛兵博士（湖南科技大年夜学教师）为本文的合营第一作者，湘潭大年夜学钟向丽传授、浙江大年夜学王杰传授、南边科技大年夜学李江宇传授、北京大年夜学高鹏研究员为本文的合营通信作者。合作者还包含南边科技大年夜学俞大年夜鹏院士，湘潭大年夜学欧阳晓平院士和王金斌传授，北京大年夜学刘开辉传授，中科院物理所白雪冬传授，北京大年夜学电子显微镜实验室张敬平易近高等工程师，北京大年夜学研究生朱锐雪、李跃辉、武媚，中科院深圳先辈技巧研究院屈可博士，浙江大年夜学研究生陈浩云。该工作重要获得了国度重点研发筹划、国度天然科学基金、国度设备筹划项目、广东省重点研发、深圳市科技立异委员会、浙江省天然科学基金和量子物质协同立异中间等项目标支撑。

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