科學家在鐵電材料中發現極化布洛赫點

近日，松山湖材料實驗室大灣區顯微科學與技術研究中心研究員馬秀良與合作者在鐵電材料中發現極化布洛赫點（Bloch point）。該發現是繼通量全閉合陣列、半子晶格、周期性電偶極子波之后，研究團隊在有關鐵電材料拓撲疇結構方面的又一項重要突破。相關成果在線發表于《自然-通訊》。

布洛赫點是矢量場中的奇點，其周圍的矢量朝向空間中的各個方向。早在20世紀60年代，就有學者在磁性材料中預測磁化布洛赫點的存在。它們在渦旋的翻轉、斯格明子的形成與湮滅等過程中扮演了重要的角色，是聯系經典磁學和量子磁學之間的橋梁。在磁性材料中直接觀察到磁化布洛赫點是一件非常困難的事情；而在鐵電材料中，僅有少數理論工作預測極化布洛赫點會在特定條件下出現。

研究團隊在前期半子晶格工作的基礎上，利用相場模擬構建對稱電極模型，發現隨著電極厚度的增加，匯聚和發散型半子分別演化成兩種類型的布洛赫點：一是面內匯聚且面外發散，二是面內發散且面外匯聚。他們利用脈沖激光沉積技術在SmScO₃襯底上生長由SrRuO₃電極夾持的超薄PbTiO₃薄膜（5納米），并通過像差校正透射電子顯微鏡對平面樣和截面樣進行觀察，在PbTiO₃薄膜中觀察到了面內面外呈發散和匯聚特征的極化布洛赫點。進一步相場模擬表明：布洛赫點處的極化為0，其周圍會出現負電容的區域，這為新型低功耗電子器件的設計提供了新思路。

該項工作進一步完善了通過失配應變調控鐵電材料疇結構的重要性和有效性，揭示了極化體系中的電偶極子在一定條件下可以形成類似特殊凝聚結構的準粒子，對探索基于鐵電材料的高密度非易失性信息存儲器件具有重要意義。同時，新型鐵電拓撲疇得以在實空間以直觀的形式呈現，這表明具有亞埃尺度分辨能力的像差校正電子顯微術以及在此基礎上的定量分析是科學家認識物質結構和自然規律的有力手段。

上述工作在國家自然科學基金等項目的支持下，由松山湖材料實驗室、中國科學院金屬研究所、中國科學院物理研究所、粵港澳大灣區量子科學中心等單位共同完成。研究成果不但豐富了極化拓撲疇結構家族，而且為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲器件提供了新思路。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48216-1

相場模擬預測上電極厚度的變化導致半子向布洛赫點轉變(a-e)；(f, g)兩種布洛赫點的局域極化結構；(h)布洛赫點的位置隨電極厚度的變化；(i, j)不同電極厚度的薄膜中的應力分布，表明彈性驅動力是導致半子向布洛赫點轉變的主要原因。 

SmScO₃襯底上SrRuO₃/PbTiO₃/SrRuO₃三層薄膜的截面樣(b-d)和平面樣(e, f)的像差校正透射電鏡圖像，展示了極化布洛赫點的原子尺度極化構型。 

極化布洛赫點的負電容效應的相場模擬結果。(a)負電容區域（綠色）和布洛赫點（紅色）的分布；(b-f)布洛赫點的極化構型圖和電場分布圖；(g, h)穿過布洛赫點的極化、電場、介電常數分布曲線。本文圖片由課題組供圖。