鐵電渦旋疇是極化連續旋轉形成的鐵電拓撲結構，在電子信息領域具有潛在的應用價值。單個渦旋疇的尺寸為幾個納米，有望大大提高信息存儲密度。為了將來實際器件應用，如何在外場激勵下操縱這類結構的拓撲狀態是至關重要的。因此，研究渦旋疇在外場作用下的動力學過程具有重要意義。
由於鐵電渦旋疇尺寸小，以往的常規實驗手段難以實現對其操控與觀測表徵。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室研究員白雪冬課題組在過去近二十年時間裡，研發透射電鏡中的掃描探針技術，原位實現對小尺度材料的操縱、物性測量和結構表徵功能，直接揭示物性與原子結構關係及外場調控規律。他們利用研發的儀器技術，取得了一系列研究進展 (Nano Lett. 3, 1147 (2003),APL88, 133107 (2006),JACS132, 4197 (2010),Adv. Mater.26, 3649 (2014), Angew. Chem. Int. Ed. 54, 15222( 2015),Sci. Bull. 63, 1208 (2018)，PRL 124, 056002 (2020)等)。近幾年該課題組將掃描探針技術的穩定性和精度進一步提高，結合球差矯正電鏡的原子分辨能力，實現了外場調控下原子分辨的物理和化學動態過程的觀測表徵。最近，他們與北京大學、湘潭大學和美國賓州州立大學研究組合作，在鐵電渦旋疇力學調控研究方面取得新進展，研究團隊利用原位球差矯正電鏡實時原子成像技術和相場模擬方法，揭示了渦旋疇在外力作用下的相轉變規律。該工作以Atomic Imaging of Mechanically Induced Topological Transition of Ferroelectric Vortices為題發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。物理所博士生陳潘為文章共同第一作者（排名1/2）。
這項工作研究了PbTiO3/SrTiO3超晶格中鐵電渦旋疇的結構特徵及其力學調控過程，通過掃描探針施加局部應力操縱渦旋疇，發現渦旋疇向面內a疇轉變，並在應力消除後自發恢復。定量表徵渦旋疇轉變力僅為3 μN，小於一般鐵電疇轉變所需要的力，相場模擬結果與實驗過程吻合。研究結果還表明，撓曲電效應不是渦旋疇轉變的驅動力，而是使轉變後a疇取向一致的原因。該研究提出了一種調控鐵電渦旋疇的物理方法，是理解納米尺度晶格-電荷相互作用的有意義的探索，對促進鐵電拓撲結構的基礎研究以及電子學器件應用具有積極作用。
上述工作得到中科院、科技部、國家自然科學基金委的資助。
圖1：PbTiO3/SrTiO3超晶格中渦旋疇的結構特徵
圖2：渦旋疇在外力作用下的轉變過程
圖3：渦旋疇力學轉變過程中的結構變化
圖4：渦旋疇力學轉變和自發恢復過程
來源：中國科學院物理研究所
