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科研成果
高鵬課題組與合作者在原子尺度上揭示極性斯格明子的拓撲相變過程
發布日期:2022-09-06 浏覽次數:
  供稿:高鹏  |   编校:孙祎   |   编辑:曲音璇   |   审核:冯济

近日,北京大学物理学院量子材料科學中心、电子显微镜实验室高鹏教授课题组等利用原子分辨的原位扫描透射电子显微技术实现了对极性斯格明子在外电场下动力学演化与拓扑相变行为的观测,揭示了其相变机制与相互作用等,为其在下一代纳米电子器件中的潜在应用提供了指导信息。相关研究成果以“电场下极性斯格明子动力学”(Dynamics of Polar Skyrmion Bubbles under Electric Fields)为题,于2022年9月2日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

類比由自旋構成的磁性斯格明子,極性斯格明子由電偶極子構成,于2019年首次在钛酸锶/钛酸鉛超晶格薄膜中被發現。在靜電能、彈性能、梯度能的共同複雜作用下,極性斯格明子這種極性三維拓撲結構可以在室溫下維持穩定。因其具有手性、負電容性、拓撲保護性,且尺寸通常只有幾納米,比磁性拓撲孤子更小,故而有望被應用于後摩爾時代的高魯棒性、超低功耗、超高密度的納米電子器件當中。

實際電子器件應用的前提是,結構單元在電、磁等外部激勵下具備可調控能力。對于極性斯格明子,因其受限于對納米尺寸三維極性拓撲結構表征的複雜性,所以相關的對外場調控動力學行爲的研究很少。目前,已有的信息主要來自于相場模擬、宏觀測量、倒空間X射線衍射花樣的變化。這些研究雖然證實了斯格明子在外電場下能夠發生拓撲相變,但是由于極性斯格明子的尺寸、形貌並不均勻,宏觀測量研究無法揭示不同斯格明子個體演化的差別、不同斯格明子之間的相互作用、相變的中間態、相變的可逆性、缺陷的影響、斯格明子在外場下是否存在長程移動等。因此,爲了揭示外場下演化過程中的個體行爲與相互作用,高空間分辨的原位表征與分析不可或缺。

高鹏课题组长期致力于低维铁电物理研究,近期,他们发展、利用定量原子像分析与原子分辨的原位局域场技术,与合作者一起应用于极性拓扑的研究,有一系列原创性的研究成果,包括在亚单胞尺度上准确测量了单个极性涡旋的极化分布 (Science Advances 2019, aav4335),据此发现了非极性材料中极性反涡旋的存在 (Nature Communications 2021, 12, 2054),并提出利用机械切割制造纳米尺寸极性涡旋的简易方法 (Nature Communications2021, 12, 4620),进一步揭示了电场、应力场下极性涡旋与通量闭合畴的拓扑相变行为 (Nature Communications2020, 11 , 1840;PNAS 2020, 117, 18954)。最近,他们与浙江大学、湖南科技大学、湘潭大学、南方科技大学、中国科学院物理研究所合作,利用原位扫描透射电子显微技术对钛酸锶/钛酸铅氧化物超晶格中存在的极性斯格明子施加外电场,在纳米和原子尺度观测到极性斯格明子的可逆性演化及拓扑相变行为。

图:(a) 极性斯格明子的三维极化分布;(b) 斯格明子核心截面的极化分布;(c) 斯格明子从上至下不同平面的极化分布,分别为中心发散型、涡旋型、中心收敛型;(d) 原位STEM实验装置示意图。钨针和SRO导电层作为正负极施加电场;(e) 极性斯格明子在一个电场周期下的演化图。紫色虚线:斯格明子条在正电场下先收缩断裂形成斯格明子泡,然后变小消失


由圖e所示,極性斯格明子在正電場/負電場下會逐漸收縮/膨脹,直至湮滅/融合並發生拓撲相變轉化爲平庸的鐵電單疇。當撤去外場後,極性斯格明子自發恢複,但位置與初始狀態不同。其中,斯格明子條可以通過收縮斷裂形成斯格明子泡。極性斯格明子在一個電場周期下的演化行爲具有可逆性,但由于非對稱電極導致的不均勻電場和界面肖特基勢壘引起的內建電場,使整個演化過程還存在特征性回滯。極性斯格明子在外電場下的演化過程與磁性斯格明子在外磁場下的演化類似。不同點在于,面外電場驅動下的極性斯格明子並不存在明顯的長程移動。即便在存在垂直的面內電場條件下,它們也只是單純發生拓撲相變而非長程移動。從能量角度而言,外部電場的施加會破壞雙勢阱曲線的簡並性並影響不同極化態的能量分布,從而驅動斯格明子收縮/膨脹以降低總能量。

此項工作首次在納米和原子尺度上實現了對外電場驅動下極性斯格明子動力學演化行爲的原位觀測,證明了利用電場可對極性斯格明子的産生、湮滅與尺寸形狀進行可控性調節,爲其在納米電子器件中的潛在應用提供了豐富的信息。

北京大学物理学院量子材料科學中心研究生朱锐雪、浙江大学航空航天学院研究生蒋哲鑫、北京大学与天津工业大学联合指导研究生张欣欣、湘潭大学材料科学与工程学院钟向丽教授为论文共同一作者,湖南科技大学物理与电子科学学院谭丛兵副教授、北京大学物理学院量子材料科學中心与电子显微镜实验室高鹏教授、浙江大学航空航天学院王杰教授、中国科学院物理研究所白雪冬研究员为论文共同通讯作者,其他主要合作者还包括南方科技大学材料科学与工程系李江宇教授团队。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、北京大学轻元素先进材料研究中心等支持。

        文章链接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.107601