【仪表网 仪表研发】中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心马秀良团队在氧化物铁电材料中发现半子(Meron，也有音译为麦纫)拓扑畴以及周期性半子晶格。这一发现是继通量全闭合(Science 2015)之后，该研究团队在有关铁电材料拓扑畴结构方面的又一项重要突破，为与铁磁材料类比的结构特性再添新的实质性内容，也为探索基于铁电材料的高密度信息存储器件提供了新思路。
铁电材料是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。铁电材料及其应用研究已成为凝聚态物理、固体电子学领域热门的研究课题之一。晶体，其原因在于他们具有相当优异的性能。许多电光晶体、压电材料就是铁电晶体。铁电晶体无论在技术上或理论上都具有重要的意义。
拓扑畴结构具有拓扑保护性，可使数据得以长时间保存，在非易失性信息存储方面具有重要应用价值。然而，铁电材料中的拓扑畴一般都包含本体对称性不允许的连续极化旋转。如何突破铁电极化与晶格应变的相互制约，实现极化反转与晶格应变的有效调控，获得有望用于超高密度信息存储的结构单元，是当今铁电材料领域面临的一个基础性科学难题。
所有的铁电材料都同时具备铁电性和压电性。铁电性是指在一定温度范围内材料会产生自发极化。由于铁电体晶格中的正负电荷中心不重合，因此即使没有外加电场，也能产生电偶极矩，并且其自发极化可以在外电场作用下改变方向 [4] 。当温度高于某一临界值时，其晶格结构发生改变，正负电荷中心重合，自发极化消失，这一温度临界值称为居里温度(Tc)。压电性是实现机械能-电能相互转换的一种性质。若在某一方向上给材料施加外力使材料发生形变，其内部会发生极化并在表面产生电荷，这就是压电效应；相反，若给材料施加电场则材料会发生形变而产生机械力，这就是逆压电效应。所有的铁电材料都具备上述2种特性，这是构建机电系统的材料基础之一。
该研究团队经过长期的学术积累，近年来在解决上述基础科学难题方面相继取得突破。他们曾实施应变调控在钪酸盐衬底上构筑出一系列超薄的铁电PbTiO3/SrTiO3多层膜，利用具有原子尺度分辨能力的像差校正电子显微术，不仅发现通量全闭合畴结构及其新奇的原子构型图谱，而且观察到由顺时针和逆时针闭合结构交替排列所构成的大尺度周期性阵列(Science 2015)。在此基础上，美国加州大学伯克利分校的科学家利用同样的电子显微学方法，在相同成分、不同应变条件下的PbTiO3/SrTiO3超晶格体系中发现了铁电涡旋畴阵列(Nature 2016)；团队成员唐云龙在2017-2019年访问美国伯克利国家实验室期间与合作者一道在PbTiO3/SrTiO3超晶格中发现了电极化斯格明子晶格(Nature 2019)。
半子是拓扑荷为±1/2的非平面型拓扑畴结构。铁电材料中周期性半子晶格的发现是该研究团队在前期应变调控方法的基础上，通过像差校正电子显微成像并结合相场模拟，使得半子结构所特有的面外极化与面内极化一同在实空间呈现出来。他们在外延生长在SmScO3衬底上的超薄PbTiO3薄膜(5nm)中不仅发现面内汇聚型和面内发散型半子，而且发现反半子结构，以及半子与反半子组合后发生湮灭所形成的拓扑荷为零的畴结构。通过对像差校正显微图像中离子位移的定量分析，发现半子和反半子按照一定的规律形成晶格(会聚型半子形成8nm×8nm的二维周期性正方晶格)。相场模拟表明形成半子晶格有利于降低体系的弹性能，从而使得包含半子晶格的模型比随机分布的半子模型能量更低。
准粒子是一种量子能，它存在于一个晶体点阵或其它相互作用的粒子系统中。在凝聚态物理中，引入这样一个“准粒子”的概念非常重要。
准粒子的概念，是Landau在他的流体量子理论中首先引入的，这是固体量子理论的重要概念，已逐渐发展为元激发物理。
准粒子的概念起源于对固体物理的研究。在固体物理中，由于各原子间相互作用很强，直接从原子系统出发应用独立粒子统计法求解系统的热力学量是非常困难的。如果把固体中N个原子的3N个振动自由度变换成3N个近独立的简正振动，并把简正振动的激发量子看成一种“准粒子”——声子，这样就把有强相互作用的原子系统简化成“准粒子”系统(有时称“准粒子”理想气体)，使问题大为简化，这里就给出并动用了“准粒子”的概念。
该项工作进一步完善了通过失配应变调控铁电材料拓扑畴结构的重要性和有效性，揭示了极化体系中的电偶极子在一定条件下具有类似特殊凝聚结构的准粒子行为，对探索基于铁电材料的高密度非易失性信息存储器件具有重要意义。同时，新型铁电拓扑畴得以在实空间以直观的形式呈现，这表明具有亚埃尺度分辨能力的像差校正电子显微术以及在此基础上的定量分析是科学家认识物质结构和自然规律的有力手段。
资料来源：百科、金属研究所
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