铁电材料中发现周期性半子晶格 | Nature Materials

来源：Nature自然科研

半子是拓扑荷为±1/2的非平面型拓扑畴结构，其核心的序参量与周围的相互垂直。它可以看做是拓扑斯格明子的一半，故而称之为半子。这些拓扑结构在信息输运和存储方面都有潜在的应用。在铁磁材料中，人们可以通过自旋交互作用得到半子和斯格明子。而人们尚不了解它们在铁电材料中的行为，甚至连铁电半子是否存在都还不清楚。

中科院金属所马秀良研究团队在前期应变调控方法的基础上，通过像差校正电子显微成像并结合相场模拟，使得氧化物铁电材料中半子拓扑畴结构所特有的面外极化与面内极化一同在实空间呈现出来。他们在外延生长在SmScO3衬底上的超薄PbTiO3薄膜（5nm）中不仅发现面内汇聚型和面内发散型半子，而且发现反半子结构，以及半子与反半子组合后发生湮灭所形成的拓扑荷为零的畴结构。通过对像差校正显微图像中离子位移的定量分析，发现半子和反半子按照一定的规律形成晶格(会聚型半子形成8nm*8nm的二维周期性正方晶格)。相场模拟表明形成半子晶格有利于降低体系的弹性能，从而使得包含半子晶格的模型比随机分布的半子模型能量更低。相关研究研究结果以“Polar meron lattice in strained oxide ferroelectrics”为题发表在Nature Materials上。

图1：外延生长在SmScO3衬底上的PbTiO3超薄膜中会聚型半子的面内应变和晶格旋转信息(a, b, c)；会聚型和发散型半子交替排列所形成的周期性半子晶格示意图(d)。| credit: Ma et al.

该项工作进一步完善和显示了通过失配应变调控铁电材料拓扑畴结构的重要性和有效性，揭示了极化体系中的电偶极子在一定条件下具有类似特殊凝聚结构的准粒子行为，对探索基于铁电材料的高密度非易失性信息存储器件具有重要意义。同时，新型铁电拓扑畴得以在实空间以直观的形式呈现，这表明具有亚埃尺度分辨能力的像差校正电子显微术以及在此基础上的定量分析是科学家认识物质结构和自然规律的有力手段。

@Nature

nmat| DOI:10.1038/s41563-020-0694-8

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Polar meron lattice in strained oxide ferroelectrics

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