近日，松山湖材料实验室研究员马秀良团队发现极性斯格明子超晶体，并在实验上证实多波矢相互耦合进而稳定极性斯格明子超晶体的物理模型。该发现是继通量全闭合、双相涡旋、半子、电偶极化波、布洛赫点之后，该团队在有关铁电拓扑畴结构方面取得的又一项重要进展。相关成果在线发表于《自然-纳米科技》（Nature Nanotechnology）。
铁电拓扑结构在非易失性和超高密度信息存储等方面具有重要的应用价值。然而，高密度的存储应用必然依赖于大范围铁电拓扑畴的有序化分布。以往研究中多数基于超晶格/多层膜中复杂界面效应调控出极性拓扑结构，通常以平行于薄膜表面的一维有序态分布为主要特征。这类一维有序态作为信息技术的功能单元应用于超高密度存储难度较大。
该研究在国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助下，通过原子尺度的外延生长，在LaAlO3衬底上制备出极大压应变（-4.36%）下的BiFeO3超薄薄膜。像差校正条件下的透射电子显微学成像以及在此基础上的定量分析发现BiFeO3薄膜中具有一维和二维超结构调制。
二维调制结构伴随着周期性的电场和应变分布，并稳定了网格状分布的铁电斯格明子晶体。该斯格明子晶体在倒空间表现为两个倒易方向上的周期性超衍射峰，因此可归类为双波矢的拓扑有序态。另外，以单波矢为特征的一维拓扑有序态实现了涡旋管阵列的稳定。
铁电斯格明子晶体的形成可归因于两个相互垂直的单波矢拓扑有序态相交并交互作用，它们在相交区域晶格、电荷的协同耦合进而形成双波矢的拓扑有序态，即斯格明子晶体。该工作通过相场模拟确定了电学Dzyaloshinskii-Moriya相互作用在铁电拓扑有序态形成中发挥的决定性作用，在实验上证实了铁磁体系中关于形成拓扑有序态的物理模型在铁电体系中的相似性。
论文通讯作者马秀良表示，该工作表明在铁电材料中，拓扑有序态的周期和对称性能够得到有效的调控，未来有望进一步发现各向同性拓扑有序、各向异性拓扑有序等新型多重波矢拓扑态。这些新型拓扑态及其伴随的新奇物理特性必然为新一代铁电存储带来更广的应用。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01845-5
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