【儀表網 研發快訊】磁電拓撲結構因其獨特的穩定性和可操控性，在新一代信息存儲和邏輯器件中展現出重要應用前景。在鐵電材料中，近年來相繼發現了通量全閉合(2015)、渦旋(2016)、斯格明子(2019)、半子(2020)、布洛赫點(2024)和多階徑向渦旋(2025)等多種拓撲結構。然而，現有極性拓撲態多局限于有限的構型自由度，其在多態信息存儲方面的潛力仍有待進一步挖掘。
近日，中國科學院金屬研究所和松山湖材料實驗室等單位的科研人員組成的研究團隊在鐵電材料中發現了一類全新的三維極性拓撲結構—極性手性浮子(polar chiral bobber)，并系統揭示了其多態穩定性及可控調控機制。相關研究成果以 “Multistate Polar Chiral Bobbers in Oxide Ferroelectrics” 為題，于1月30日在《先進材料》(Advanced Materials)期刊上發表。
研究團隊結合相場模擬與像差校正透射電子顯微學等手段，在(111)取向的超薄 PbTiO3鐵電薄膜中預測并實驗證實了極性手性浮子的存在。該結構是一種三維極性拓撲結構，其特征為一個面外極化與周圍相反的納米疇，起始于薄膜表面終止于薄膜內部的布洛赫點，同時在其周圍形成面內渦旋態，呈現出類似磁性體系中“浮子”結構的三維極化特征。面內渦旋與面外極化的組合使極性浮子表現出手性。
進一步研究表明，單個極性浮子可表現出八種不同的拓撲態，其差異來源于面內極化旋向(順時針/逆時針)、面外極化方向(向上/向下)以及其位于薄膜中的位置(上表面/下表面)的不同構型組合。所有八種態在相同外界條件下均表現出良好的穩定性，突破了傳統鐵電存儲中二進制(0/1)編碼的限制，為實現高密度、多態非易失性存儲提供了新的物理載體。相場模擬還揭示了極性浮子的形成機制：該結構在外延應變和電邊界條件約束下經多種變體疇協同競爭產生，并在體系靜電驅動力作用下穩定。計算還表明，不同極化浮子態之間可在外電場下實現可逆的低能切換，顯示出良好的器件應用潛力。
該研究不僅拓展了鐵電拓撲結構的三維形態譜系，也在鐵電材料中系統展示了具備多態編碼能力的拓撲基元，為新型電子器件應用提供了重要的物理基礎和設計思路。同時，該工作也進一步體現了取向工程、應變調控以及原子級分辨電子顯微學在發現和理解新型鐵電拓撲態中的關鍵作用。
金屬所郭相偉博士(現美國密歇根大學博士后)和松山湖材料實驗室鄒敏杰副研究員為論文共同第一作者，金屬所王宇佳研究員和中國科學院物理研究所/松山湖材料實驗室馬秀良研究員為論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、興遼英才計劃、廣東省量子科學戰略專項、廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目的支持。
圖1. 相場模擬預測(111)取向鐵電PbTiO3超薄薄膜中出現極性手性浮子并揭示極化特征
圖2. 極性手性浮子形成的能量驅動機制分析
圖3. 極性手性浮子的極化結構的像差校正透射電子顯微學解析
圖4. 多態極性手性浮子及其在多態信息存儲器中的應用示意圖
圖5. 電場驅動不同極性手性浮子拓撲態的可逆切換
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