近年來(lái)，科學(xué)家先后在理論和實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了鐵電材料中可以形成尺寸低至幾個(gè)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(hù)性、尺寸小等優(yōu)勢(shì)，這引起探索新一代非易失性超高密度信息存儲(chǔ)器件的興趣。實(shí)際器件操作大多是基于外場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)單元極化態(tài)和拓?fù)湎嘧兊恼{(diào)控，研究單個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)的極化分布以及外場(chǎng)操控下拓?fù)湎嘧儎?dòng)力學(xué)過(guò)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(jìng)爭(zhēng)平衡的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)局域外場(chǎng)對(duì)微區(qū)結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控以及相變過(guò)程的精細(xì)表征是一種挑戰(zhàn)。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心白雪冬課題組通過(guò)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(cè)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(cè)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(chǎng)下演變的完整過(guò)程，通過(guò)掃描針尖局域電場(chǎng)/應(yīng)力場(chǎng)操控技術(shù)，實(shí)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(chǎng)模擬結(jié)果給出外場(chǎng)調(diào)控極性拓?fù)湎嘧兊奈锢頇C(jī)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(chǎng)操控下（圖2），通過(guò)疇壁的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)通量閉合核的橫向移動(dòng)，極化方向與外電場(chǎng)一致的c疇逐漸變大，而極化方向與外電場(chǎng)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(jìn)一步增大電場(chǎng)可以獲得單一的c疇。在應(yīng)力場(chǎng)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(dòng)，當(dāng)通量閉合核移動(dòng)到界面并消失則變?yōu)橹虚g態(tài)a/c疇，進(jìn)一步增大應(yīng)力則可以獲得單一的a疇。以上演化過(guò)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(chǎng)模擬結(jié)果可以完全再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程（圖4），獲得相變過(guò)程中幾種能量的演化及相互競(jìng)爭(zhēng)變化關(guān)系，揭示鐵電通量閉合疇外場(chǎng)調(diào)控的物理原理。

研究工作得到國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)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(chǎng)下的演化過(guò)程

圖3.通量閉合疇結(jié)構(gòu)在外力場(chǎng)下的演化過(guò)程

圖4.通量閉合疇結(jié)構(gòu)相變的相場(chǎng)模擬結(jié)果