北理工團隊在鐵電拓撲結(jié)構(gòu)研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2025-06-27 供稿：前沿交叉科學院 攝影：前沿交叉科學院
編輯：朱倩云 審核：鄭德智 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學前沿交叉科學院/材料學院/珠海校區(qū)的黃厚兵、王靜團隊在鐵電拓撲結(jié)構(gòu)研究領域取得重要進展，與清華大學南策文教授團隊合作的研究成果《General principle of ferroelectric topological domain formation》于2025年6月18日正式發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Science Advances》上。這一成果系統(tǒng)揭示了鐵電材料中拓撲結(jié)構(gòu)形成的一般性原理，即“極化波疊加”原理。
該論文第一作者為北京理工大學王靜副教授、清華大學博士后&北京理工大學博士高榮貞、以及北京理工大學唐詩雨博士和董守哲博士，通訊作者為黃厚兵教授和南策文教授。澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授也參與了研究和討論。北京理工大學前沿交叉科學院/材料學院碩士生梁岷川、楊佳、聶振月、王啟蒙、王鼎新，博士生楊華宇，博士后梁德山和Wael Ben Taazayet也參與了工作。該研究得到了國家自然科學基金基礎科學中心項目、面上項目，國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金等多個項目的資助。
拓撲結(jié)構(gòu)：從“人工設計”走向“自發(fā)形成”的新理解
拓撲結(jié)構(gòu)（如渦旋）在宇宙弦、液晶、鐵磁、鐵電、超導/超流玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、原子核等跨尺度體系中廣泛存在。鐵電渦旋因強極性各向異性導致的高能耗難以自發(fā)形成。人們通過設計對稱的電學和力學邊界條件來促進納米尺度極化旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)人工創(chuàng)建的鐵電渦旋結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵策略有嚴格調(diào)控鐵電/介電超晶格原子堆疊、優(yōu)化鐵電納米晶體尺寸和長寬比、調(diào)整鐵電自由層扭轉(zhuǎn)角度等。然而，目前渦旋形成的基本原理仍待進一步探討。
波干涉可以生成多種拓撲向量實體，例如經(jīng)典電磁（光學）波、聲波、彈性波和水波中的渦旋。在鐵電材料中，正負電荷的分離形成偶極子，這些偶極子在周期性排列時會產(chǎn)生連續(xù)的極化波。受這些波之間相似性的啟發(fā)，該工作通過數(shù)學推導、相場模擬和角分辨壓電力顯微鏡實驗發(fā)現(xiàn)：兩組正交的周期性極化波疊加可以自發(fā)誘導出鐵電渦旋和反渦旋結(jié)構(gòu)。相比以往對不同材料體系中“局部現(xiàn)象”的討論，本研究揭示了一個跨材料系統(tǒng)通用的拓撲結(jié)構(gòu)形成原理，適用于鈦酸鋇（BaTiO?）、鉍鎢氧（Bi?WO?）、鐵酸鉍（BiFeO?）等典型的四方相（T）、正交相（O）、菱方相（R）等鐵電材料體系。
在該工作中，研究學者根據(jù)疇壁交叉組合類型對渦旋結(jié)構(gòu)進行了分類，系統(tǒng)探索T、O和R相鐵電體中所有可能的渦旋結(jié)構(gòu)。
圖1. 通過疇壁交叉組合類型進行渦旋分類。
證明了渦旋/反渦旋結(jié)構(gòu)可以通過兩個正交極化波的疊加形成，給出鐵電渦旋疇形成的定量數(shù)學表達。
圖2. 鐵電渦旋單元和2D、3D渦旋-反渦旋陣列的極化波疊加。
通過實驗和相場模擬，疊加原理還可以用于解釋條紋疇和不規(guī)則的渦旋/反渦旋網(wǎng)絡的形成。
圖3. 極化波疊加形成條紋疇和渦旋-反渦旋網(wǎng)絡的相場模擬和實驗觀察。
該“極化波疊加原理”不僅能夠解釋鐵電渦旋的形成，還可以推廣至多種已知及預測的拓撲結(jié)構(gòu)，包括：1D結(jié)構(gòu)：Ising、Néel、Bloch型疇壁；2D結(jié)構(gòu)：merons、skyrmions等納米渦旋態(tài)；3D結(jié)構(gòu)：中心渦旋、Hopf環(huán)、Solomon環(huán)，甚至預測性提出Star of David rings結(jié)構(gòu)。
圖4. 極化波疊加原理擴展到1D, 2D, 3D拓撲結(jié)構(gòu)
這些研究結(jié)果推進了對拓撲疇形成原理的理解，為拓撲疇結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和調(diào)控提供了理論依據(jù)，也為鐵磁、液晶、超導體和超流體等領域的拓撲工程開辟了新路徑。
文章信息：
Jing Wang?，Rongzhen Gao?, Shiyu Tang?, Shouzhe Dong?, Minchuan Liang, Jia Yang, Huayu Yang, Zhenyue Nie, Deshan Liang, Qimeng Wang, Dingxin Wang, Wael Ben Taazayet, Shujun Zhang, Houbing Huang*, Ce-Wen Nan*. General principle of ferroelectric topological domain formation. Science Advances , 2025, 11(25), eadu6223.
文章鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adu6223
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