北理工團隊在力學調控拓撲鐵電疇研究中取得重要進展
發布日期：2024-01-09 供稿：宇航學院 王學云 攝影：王學云
編輯：趙亞康 審核：龍騰 閱讀次數：
近日，北京理工大學王學云，洪家旺團隊在力學調控拓撲鐵電疇研究中取得重要進展，相關成果以“Mechanical Manipulation for Ordered Topological Defects”為題，發表于國際權威期刊Science Advances期刊。研究團隊建立了一種殘余應力的力學調控策略，針對拓撲鐵電疇結構，通過納米壓痕引入應力與晶格相互作用的馬格努斯力，使鐵電單晶中的渦旋疇呈現六重對稱的分布，進而拓展壓痕至劃痕，通過納米劃痕將隨機分布的渦旋疇調控成大面積（50 μm ′ 500 μm）、高密度（周期 400 nm）、單一手性平行條紋疇，解決了受拓撲保護的鐵電疇難以在室溫局域精準調控的難題，為其他鐵電、鐵磁和鐵彈等鐵性材料的疇調控及應用提供新思路。
拓撲缺陷，作為一種具有拓撲保護的微結構，是研究體系對稱性與序參量演變的重要載體。在鐵電領域，拓撲疇/疇壁結構展現出新奇物理現象，形成了穩定的荷電疇壁，展現出半波整流效應、高頻交流導電特性等潛在應用前景，在多態存儲器和納米電子器件中具有潛在的應用價值。因此，對拓撲鐵電渦旋疇的空間有序度進行有效操控至關重要。然而，由于該類型鐵電疇結構受到拓撲保護作用，通過電場、溫度場等手段難以實現對渦旋疇的精確調控。
在此基礎上，研究團隊在室溫下嘗試通過納米壓痕法，在單晶晶面引入應變（圖1）。經過熱動力學處理，發現圍繞壓坑附近的渦旋疇重新排列，呈六重對稱性分布。為揭示其隱藏的機理，研究團隊引入了應變場與渦旋-反渦旋位置之間的相互作用能，得到作用在渦旋中心和反渦旋中心的馬格努斯力。在馬格努斯力的作用下，渦旋中心和反渦旋中心反向分離。
圖1 納米壓痕調控LuMnO3單晶渦旋疇重新分布
基于納米壓痕單點調控局域渦旋疇分布的機制，研究團隊通過采用納米劃痕法，擴大了渦旋疇的調控范圍（圖2），在劃痕調控渦旋疇分布策略的基礎上，研究團隊設計了兩條反平行分布的劃痕。實現了50 mm寬，周期為400 nm的單一手性高密度條紋疇，并且分布范圍可以隨著劃痕的長度延長至整個單晶長度。為了揭示納米劃痕引入的應變分布狀態，研究團隊采對劃痕附近的應變狀態進行表征，結果表明面內應變的分布范圍比面外應變分布范圍大三個數量級，因此面內應變分布在力學調控拓撲微結構構型與有序度的過程中起著主要作用。
圖2 納米劃痕調控形成的高密度條紋疇
宇航學院2019級博士生高子巖為第一作者，王學云副教授、洪家旺教授為共同通訊作者，北京理工大學為論文第一單位，黃厚兵教授、陳亞彬教授、靳柯教授、劉戰偉教授、曲兆亮副教授等對該研究工作給予了重要指導和幫助。該研究工作還得到了北京大學、清華大學、北京工業大學、中科院半導體所等合作單位提供的重要支持與協助。該研究工作獲得了國家自然科學基金重大研究計劃“功能基元序構的高性能材料基礎研究”培育項目的支持，同時受到科技部國家重點研發計劃、北京市自然科學基金的資助。
全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5894
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