如何让常规铁电畴结构，变得拓扑不平凡？源自于数学的拓扑是指几何图形或空间能在连续形变后保持性质不变的特殊结构。科学家们将拓扑学作为一种工具引入物理学，通过控制自旋、电荷、轨道和晶格的自由度，将真实空间序参量组装成拓扑结构，在超导和铁磁等领域有广泛研究。具有可翻转的自发极化（电偶极子）的铁电材料长期以来一直被用于信息处理和数据存储。近年来，人们发现在一些特殊的人工薄膜和低维纳米结构的铁电材料中，电偶极子能够连续旋转形成极性拓扑结构，如（反）涡旋、斯格明子、半子等。这些极性拓扑结构具有拓扑非平凡特性、奇异的负电容和亚太赫兹频段调制特性，有望解决后摩尔时代高密度数据存储和低功耗微电子器件的材料尺寸限制难题，在新型传感、5G/6G微波介电和太赫兹光电子器件等领域具有独特的应用前景。

▲(PbTiO₃)₁₀/(SrTiO₃)₁₀超晶格薄膜中的周期性非平凡拓扑极性涡旋阵列结构

物理与电子科学学院谭丛兵博士、刘明伟教授课题组与湘潭大学、南方科技大学、中科院深圳先进技术研究院、北京大学、中国科学技术大学、浙江大学、中科院物理所等单位的课题组合作，结合高分辨矢量压电响应力显微镜(PFM)、同步辐射X射线衍射三维倒易空成间扫描成像技术（3D-RSM）和原子分辨电子显微镜技术（HAADF-TEM），巧妙设计了超晶格薄膜的人工切片实验，通过将超晶格薄膜切成~20-40 nm厚度的薄片，实现了从超晶格薄膜中平凡畴结构到薄片中非平凡极性拓扑结构阵列的重构，并揭示了其原子构型，探索了其相图、形成机理、极化大小、介电性质、拓扑相变行为。使常规铁电畴结构变得拓扑不平凡，这种非平凡的极性涡旋畴由于其拓扑保护稳定性和纳米小尺寸，以及电场、力场和温度等多物理作用调控的特性，可能作为未来高密度、高速度、低能耗信息存储器件的信息单元载体，如实现高达60 Tb/in²超高密度信息存储，为现有存储密度的十倍。

2021年7月30日，该研究成果以"Engineering polar vortex from topologically trivial domain architecture"为题发表在《Nature Communications》期刊，物理与电子科学学院谭丛兵博士为论文第一作者，湖南科技大学物理与电子科学学院智能传感器与新型传感材料湖南省重点实验室为第一单位。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家装备计划项目、广东省重点研发、广东省重点实验室项目、深圳市科技创新委员会和量子物质协同创新中心等项目的支持。

论文的链接为： https://www.nature.com/articles/s41467-021-24922-y。