鐵電拓撲結構在非易失性和超高密度信息存儲等方面具有重要的鐵電拓撲態研應用價值。然而，有序高密度的究取進展存儲應用必然依賴于大范圍鐵電拓撲疇的有序化分布。近期，得重松山湖材料實驗室大灣區顯微科學與技術研究中心馬秀良研究團隊發現極性斯格明子超晶體，材料并在實驗上證實多波矢相互耦合進而穩定極性斯格明子超晶體的鐵電拓撲態研物理模型。2025年1月16日，有序相關研究結果以“Dipolar wavevector interference induces a polar skyrmion lattice in strained BiFeO₃?films”為題，究取進展在線發表在《自然-納米科技》(Nature Nanotechnology)期刊上。得重

這一發現是材料繼通量全閉合(Science, 2015)、雙相渦旋(ACS Nano, 2018)、鐵電拓撲態研半子(Nature Materials, 2020)、有序電偶極化波(Science Advances, 2021)，究取進展布洛赫點(Nature Communications, 2024)之后，得重該研究團隊在有關鐵電拓撲疇結構方面的材料又一項重要進展。

自鐵電拓撲結構相繼通過實驗發現以來，基于外場作用下的原位電子顯微學方法證實了拓撲結構及其結構演化的可控性，強化了其作為存儲功能單元的可行性。然而，穩定、高密度的存儲應用必然依賴于大范圍鐵電拓撲疇的有序化定向分布，其形成前提是鐵電體系內引入周期性的應變、電場分布及沿有序化方向的協同耦合，這就需要通過巧妙的實驗設計使鐵電體在特定邊界條件下實現各種能量態的平衡。以往研究中多數基于超晶格/多層膜中復雜界面效應調控出極性拓撲結構，通常以平行于薄膜表面的一維有序態分布為主要特征。這類一維有序態作為信息技術的功能單元應用于超高密度存儲難度較大。

該研究團隊通過原子尺度的外延生長，在LaAlO₃襯底上制備出極大壓應變（-4.36%）下的BiFeO₃超薄薄膜。像差校正條件下的透射電子顯微學成像以及在此基礎上的定量分析發現BiFeO₃薄膜中具有一維(1D)和二維(2D)超結構調制。二維調制結構伴隨著周期性的電場和應變分布，并穩定了網格狀分布的鐵電斯格明子晶體。該斯格明子晶體在倒空間表現為兩個倒易方向上的周期性超衍射峰，因此可歸類為雙波矢(2q)的拓撲有序態（圖1）。另外，以單波矢(1q)為特征的一維拓撲有序態實現了渦旋管陣列的穩定（圖2）。

鐵電斯格明子晶體的形成可歸因于兩個相互垂直的單波矢(1q)拓撲有序態相交并交互作用，它們在相交區域晶格、電荷的協同耦合進而形成雙波矢(2q)的拓撲有序態，即斯格明子晶體（圖3）。該工作通過相場模擬確定了電學Dzyaloshinskii-Moriya相互作用在鐵電拓撲有序態形成中發揮的決定性作用（圖4），在實驗上證實了鐵磁體系中關于形成拓撲有序態的物理模型在鐵電體系中的相似性。

該工作表明在鐵電材料中，拓撲有序態的周期和對稱性能夠得到有效的調控，未來有望進一步發現各向同性拓撲有序、各向異性拓撲有序等新型多重波矢拓撲態。這些新型拓撲態及其伴隨的新奇物理特性必然為新一代鐵電存儲帶來更廣的應用。

松山湖材料實驗室大灣區顯微科學與技術研究中心耿皖榮副研究員為該論文的第一作者，大灣區顯微科學與技術研究中心朱銀蓮研究員、中國科學院金屬研究所博士生朱美雄為共同第一作者。松山湖材料實驗室大灣區顯微科學與技術研究中心/中國科學院物理研究所馬秀良研究員為該論文的通訊作者。

該研究得到了國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、中國博士后科學基金、廣東省量子科學戰略計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目等項目的共同資助和支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01845-5

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圖1 二維結構調制穩定的雙波矢極性斯格明子晶體

圖2 一維結構調制穩定的單波矢渦旋管

圖3波矢干擾穩定極性斯格明子晶體的實驗證據

圖4 相場模擬結果，確定了電學Dzyaloshinskii-Moriya作用的關鍵作用