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  • 物理學院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

    【字體: 時間:2022年09月20日 來源:北京大學新聞網

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      ?近日,北京大學物理學院量子材料科學中心、電子顯微鏡實驗室高鵬教授課題組等利用原子分辨的原位掃描透射電子顯微技術實現了對極性斯格明子在外電場下動力學演化與拓撲相變行為的觀測,揭示了其相變機制與相互作用等,為其在下一代納米電子器件中的潛在應用提供了指導信息。相關研究成果以《電場下極性斯格明子動力學》為題,于2022年9月2日在線發表于《物理評論快報》。

      

    近日,北京大學物理學院量子材料科學中心、電子顯微鏡實驗室高鵬教授課題組等利用原子分辨的原位掃描透射電子顯微技術實現了對極性斯格明子在外電場下動力學演化與拓撲相變行為的觀測,揭示了其相變機制與相互作用等,為其在下一代納米電子器件中的潛在應用提供了指導信息。相關研究成果以《電場下極性斯格明子動力學》(Dynamics of Polar Skyrmion Bubbles under Electric Fields)為題,于2022年9月2日在線發表于《物理評論快報》(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年首次在鈦酸鍶/鈦酸鉛超晶格薄膜中被發現。在靜電能、彈性能、梯度能的共同復雜作用下,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,故而有望被應用于后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復雜性,所以相關的對外場調控動力學行為的研究很少。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、形貌并不均勻,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,為了揭示外場下演化過程中的個體行為與相互作用,高空間分辨的原位表征與分析不可或缺。

    高鵬課題組長期致力于低維鐵電物理研究,近期,他們發展、利用定量原子像分析與原子分辨的原位局域場技術,與合作者一起應用于極性拓撲的研究,有一系列原創性的研究成果,包括在亞單胞尺度上準確測量了單個極性渦旋的極化分布(Science Advances 2019, aav4335),據此發現了非極性材料中極性反渦旋的存在(Nature Communications 2021, 12, 2054),并提出利用機械切割制造納米尺寸極性渦旋的簡易方法(Nature Communications 2021, 12, 4620),進一步揭示了電場、應力場下極性渦旋與通量閉合疇的拓撲相變行為(Nature Communications 2020, 11 , 1840;PNAS 2020, 117, 18954)。最近,他們與浙江大學、湖南科技大學、湘潭大學、南方科技大學、中國科學院物理研究所合作,利用原位掃描透射電子顯微技術對鈦酸鍶/鈦酸鉛氧化物超晶格中存在的極性斯格明子施加外電場,在納米和原子尺度觀測到極性斯格明子的可逆性演化及拓撲相變行為。

    (a)極性斯格明子的三維極化分布;(b) 斯格明子核心截面的極化分布;(c) 斯格明子從上至下不同平面的極化分布,分別為中心發散型、渦旋型、中心收斂型;(d) 原位STEM實驗裝置示意圖。鎢針和SRO導電層作為正負極施加電場;(e)極性斯格明子在一個電場周期下的演化圖。紫色虛線:斯格明子條在正電場下先收縮斷裂形成斯格明子泡,然后變小消失。

    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/融合并發生拓撲相變轉化為平庸的鐵電單疇。當撤去外場后,極性斯格明子自發恢復,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為具有可逆性,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并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并性并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為的原位觀測,證明了利用電場可對極性斯格明子的產生、湮滅與尺寸形狀進行可控性調節,為其在納米電子器件中的潛在應用提供了豐富的信息。

    北京大學物理學院量子材料科學中心研究生朱銳雪、浙江大學航空航天學院研究生蔣哲鑫、北京大學與天津工業大學聯合指導研究生張欣欣、湘潭大學材料科學與工程學院鐘向麗教授為論文共同一作者,湖南科技大學物理與電子科學學院譚叢兵副教授、高鵬、浙江大學航空航天學院王杰教授、中國科學院物理研究所白雪冬研究員為論文共同通訊作者,其他主要合作者還包括南方科技大學材料科學與工程系李江宇教授團隊。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃、北京大學輕元素先進材料研究中心等支持。

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