近年來，科學(xué)家先后在理論和實驗上發(fā)現(xiàn)了鐵電材料中可以形成尺寸低至幾個納米的極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如通量閉合疇、渦旋疇和斯格明子等。極性拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)具有拓?fù)浔Ｗo性、尺寸小等優(yōu)勢，這引起探索新一代非易失性超高密度信息存儲器件的興趣。實際器件操作大多是基于外場對結(jié)構(gòu)單元極化態(tài)和拓?fù)湎嘧兊恼{(diào)控，研究單個鐵電疇結(jié)構(gòu)的極化分布以及外場操控下拓?fù)湎嘧儎恿W(xué)過程是器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成是體系中彈性能、靜電能和梯度能之間在微小差別內(nèi)相互競爭平衡的結(jié)果，實現(xiàn)局域外場對微區(qū)結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控以及相變過程的精細(xì)表征是一種挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心白雪冬課題組通過發(fā)展透射電鏡中的掃描探針技術(shù)，自主研制出具有原子分辨的原位綜合物性測量與調(diào)控裝置。最近，研究人員利用原位高分辨電鏡技術(shù)，在原子尺度觀測到PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜中的鐵電通量閉合疇結(jié)構(gòu)（flux-closure）（圖1）在外場下演變的完整過程，通過掃描針尖局域電場/應(yīng)力場操控技術(shù)，實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)在極性拓?fù)洚牶推胀ㄨF電相之間的可逆轉(zhuǎn)換；相場模擬結(jié)果給出外場調(diào)控極性拓?fù)湎嘧兊奈锢頇C制。相關(guān)研究結(jié)果以Atomic-scale observations of electrical and mechanical manipulation of topological polar flux-closure為題，發(fā)表在Proc. Natl. Acad. Sci. USA上，該研究與北京大學(xué)、湘潭大學(xué)、浙江大學(xué)等合作完成，物理所博士生李曉梅為論文共同第一作者（排名1/3）。

在外電場操控下（圖2），通過疇壁的移動實現(xiàn)通量閉合核的橫向移動，極化方向與外電場一致的c疇逐漸變大，而極化方向與外電場方向相反的c疇逐漸減小至消失，伴隨著180°疇壁和通量閉合核的消失，形成中間態(tài)的a/c疇結(jié)構(gòu)，進一步增大電場可以獲得單一的c疇。在應(yīng)力場操控下（圖3），垂直于界面的壓縮應(yīng)力導(dǎo)致通量閉合結(jié)構(gòu)中c疇的收縮和a疇的增大，并伴隨著通量閉合核沿180°疇壁向界面的移動，當(dāng)通量閉合核移動到界面并消失則變?yōu)橹虚g態(tài)a/c疇，進一步增大應(yīng)力則可以獲得單一的a疇。以上演化過程為完全可逆的，當(dāng)撤掉外界刺激后則恢復(fù)到初始的通量閉合疇結(jié)構(gòu)。相場模擬結(jié)果可以完全再現(xiàn)實驗過程（圖4），獲得相變過程中幾種能量的演化及相互競爭變化關(guān)系，揭示鐵電通量閉合疇外場調(diào)控的物理原理。

研究工作得到國家重大科研裝備研制項目和基金委等的資助。

論文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/07/23/2007248117?cct=1816

圖1.PTO/STO超晶格中的通量閉合疇結(jié)構(gòu)

圖2.通量閉合疇結(jié)構(gòu)在外電場下的演化過程

圖3.通量閉合疇結(jié)構(gòu)在外力場下的演化過程

圖4.通量閉合疇結(jié)構(gòu)相變的相場模擬結(jié)果