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致鐵性拓撲
悠悠鐵性蘊天機，
妙相新疇百態稀。
拓撲尋蹤如是幻，
斯格霍爾最傳奇。
磁泡半子分天地，
正反渦旋兩太極。
奈爾伊辛布洛赫，
功能疇壁惹人迷。
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背景介紹
拓撲學是數學中的一個重要分支，主要研究拓撲空間在拓撲變換下的不變性質和不變量。2016年,諾貝爾物理獎頒發給了三位美國科學家：戴維 索利斯（David Thouless）、鄧肯 霍爾丹（Duncan Haldane）和麥可 科斯特利茲（Michael Kosterlitz），以表彰他們在「拓撲相變以及拓撲材料方面的理論」的貢獻。近年來，拓撲學與材料物理和性能的關聯越來越緊密。拓撲學的概念正在應用于越來越多的學科領域。
例如，拓撲的概念已被引入來研究凝聚態物理中的各種奇異態，特別是實空間中與極性/自旋構型相關的拓撲結構以及動量空間中的拓撲輸運現象。在眾多擁有拓撲結構的材料中，鐵性薄膜材料，如鐵電、鐵磁和多鐵材料，由於場致翻轉的自發極性/磁有序，在信息存儲和傳感驅動等領域具有極大應用價值，從而引起了人們的極大興趣。最初，拓撲被引入到磁性材料當中，隨著理論計算、材料合成以及物性表徵技術的快速發展，越來越多自旋拓撲結構被預測和發現，如渦旋態（vortex），斯格明子（skyrmion），麥紉（meron）等等，這些磁性拓撲態的形成大多與退磁化場和Dzyaloshinskii-Moriya (D-M)相互作用有關，各種相互作用競爭使得鐵磁材料中相鄰的兩個磁矩成某個傾斜的角度，從而使得自旋拓撲結構的形成。
然而，在鐵電材料當中，雖然不存在D-M相互作用和磁交換作用，但是由於彈性能、靜電能和梯度能之間的相互競爭，鐵電體系也存在類似於磁性拓撲態的非平凡拓撲結構。最近的研究表明，非平凡自旋/極性拓撲結構的出現均伴隨著大量新奇的物理特性（如拓撲霍爾效應和負電容等）。當今，與鐵電/鐵磁相關聯的非平凡拓撲結構已為下一代高密度存儲器件重要研究方向之一，這為材料科學以及凝聚態物理學的相關研究打開了一扇嶄新的大門。
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成果簡介
近日，哈爾濱工業大學(深圳)陳祖煌教授與華南師範大學侯志鵬副研究員和中科院金屬所唐雲龍研究員等在Advanced Materials在線發表了題為「Recent Progress on Topological Structures in Ferroic Thin Films and Heterostructures」的長篇進展報告文章。文章的共同第一作者為陳祖煌教授課題組內博士生陳善全、博士後袁帥和華南師範大學侯志鵬，哈工大(深圳)為第一完成單位和通訊單位。
文章系統綜述了近十年來鐵性薄膜和異質結拓撲結構的研究進展，包括磁性/極性拓撲結構（如疇壁、麥紉、斯格明子等）的觀測以及通過外延應變、原子層厚、電場、磁場等控制其結構演變和隨之湧現的物理現象。文中首先討論了磁性金屬/氧化物薄膜和異質結中拓撲自旋結構(如：磁性斯格明子)的演變和相關功能特性(如拓撲霍爾效應)。隨後，作者總結和評述了鐵電氧化物薄膜和異質結中獨特的極性拓撲結構(如疇壁, 通量全閉合疇, 極性渦旋疇, 鐵電泡疇, 極性斯格明子等)和與其相關的奇異物理特性(如負電容，電導，微波調諧等)。最後，作者對鐵性薄膜和異質結的拓撲結構的發展前景提出了建設性的觀點和展望，以促進該領域的快速發展。
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圖文解讀
1、引言
鐵性(鐵磁、鐵電等)材料擁有豐富的極性/自旋非共線拓撲結構，如疇壁、通量全閉合疇、渦旋疇與反渦旋疇、磁泡、斯格明子和麥紉等，如圖一所示。相對於鐵電材料，磁性材料的拓撲結構已經得到了廣泛的研究，拓撲結構和導電電子自旋之間的相互作用可以導致許多新型的拓撲性質(如拓撲霍爾效應)和潛在的自旋電子學應用。在觀察磁性材料中各種各樣的自旋拓撲結構的啟發下，鐵電體的極性拓撲結構的研究也引起了研究者們極大的興趣。在鐵電體中，彈性能、靜電能和梯度能之間的相互競爭，鐵電材料也會出現自發的非平凡拓撲結構。同時，會導致一系列新的功能特性，如增強的電子電導率、增強的磁性、巨力電耦合效應和負電容等。鐵性薄膜和異質結的拓撲結構的研究對納米電子器件的快速發展起著至關重要的作用。
圖一：鐵性體的典型拓撲結構示意圖。a)疇壁(伊辛、奈爾和布洛赫型)；b)通量全閉合疇；c)渦旋疇與反渦旋疇；d)磁泡(軟磁泡和硬磁泡)；e)斯格明子(布洛赫型和奈爾型)；f)斯格明子的映射球(螺旋型和刺蝟型)；g)麥紉 (渦旋型和刺蝟型)。
2、磁性薄膜和異質結中的拓撲結構
近十年來，磁性金屬薄膜/異質結中以磁性斯格明子為代表的拓撲結構由於其新奇的物理現象以及其在高速、非易失、低功耗自旋電子器件領域的應用而引起了人們極大的興趣。最近幾年，人們發現磁性氧化物(如SrRuO3)外延薄膜/異質結由於其自旋、電荷、軌道和晶格自由度之間的關聯作用也會導致斯格明子或者類似於斯格明子的磁性拓撲態的出現。氧化物薄膜和異質結中，實驗上直接觀察斯格明子具有很大的挑戰性，因此主要通過拓撲霍爾效應來探測斯格明子的存在。同時，氧化物薄膜和異質結的拓撲霍爾效應可通過外場(如電場等)來調控。然而，氧化物薄膜和異質結的磁性斯格明子等拓撲結構的研究目前還處於初始階段，如氧化物中斯格明子存在的確切證據仍然有一定爭議，仍然需要更可靠的表徵手段和理論研究進一步確定，該領域上各種複雜的科學問題需要科學家們共同努力去解決。
圖二：金屬磁性薄膜和異質結中的斯格明子。a)多層異質結界面的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用；b)低溫下PdFe多層膜的磁態操控；c)Pt/Co/MgO納米結構中Néel型斯格明子的XMCD-PEEM成像；d)Pt/Co/Fe/Ir多層膜斯格明子態的磁力顯微鏡成像；e)Co/Pd和Co納米點雜化結構中人造斯格明子的磁力顯微鏡成像；f)自旋阻挫示意圖；g) Fe3Sn2磁體中阻挫斯格明子的洛倫茲透射電鏡成像；h) g中阻挫斯格明子的自旋紋理結構；i)反鐵磁斯格明子(右)和人工合成反鐵磁(左)的原理圖。
圖三：斯格明子的寫入、刪除和讀取。a)斯格明子基的賽道存儲器示意圖；b)利用脈衝在斯格明子基的賽道存儲器中形成斯格明子；c)電流誘導阻挫斯格明子的螺旋性翻轉；d)利用自旋極化的掃描隧道顯微鏡對電場誘導的Fe三層膜中單個磁性斯格明子的寫入和刪除；e)隨著斯格明子的形成，霍爾電阻的變化。
圖四：SrRuO3異質結中的拓撲霍爾效應以及相關調控。a-c)SrRuO3-SrIrO3多層膜中的拓撲霍爾效應；d-f)在門電場的作用下SrRuO3/SrIrO3/SrTiO3異質結的拓撲霍爾效應；g-i)通過鐵電極化翻轉控制BaTiO3/SrRuO3/SrTiO3異質結的拓撲霍爾效應。
3、鐵電/鐵彈薄膜和異質結中的拓撲結構
近年來，鐵電材料中的拓撲結構由於其在納米尺度上的潛在應用而受到廣泛的關注。在鐵電薄膜和超晶格異質結體系中，各種鐵電拓撲疇結構在不同能量之間的協同與競爭作用下被認為可以穩定存在。隨著實驗技術的發展，非伊辛疇壁、手性渦旋疇、鐵電泡疇、極性斯格明子等拓撲疇結構在鐵電體系中被相繼發現。特別地，在鈦酸鉛(PbTiO3)-鈦酸鍶(SrTiO3)超晶格中室溫極性斯格明子的發現表明了複雜拓撲疇結構可以在特定條件下穩定存在於鐵電體系中，這一發現同時暗示了鐵電麥紉(meron)、霍普夫子(hopfion)等穩定存在的可能性。在此基礎上，研究者進一步研究發現了鐵電拓撲疇結構中各種奇異的功能特性，如疇壁的電導、負電容、微波可調性，渦疇的手性、負電容等，進而研究了不同功能特性在外電場、失配應變等外激勵調控下的變化規律。此外，鐵彈疇壁中的拓撲缺陷，如布洛赫線等，也在文中做了梳理和介紹。
圖五：功能性鐵電疇壁。a) PbZr0.4Ti0.6O3中的非伊辛疇壁；b)疇壁存儲器與多態；c) (PbTiO3/SrTiO3)超晶格中的負電容；d)Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜中因疇壁共振引發的微波可調性和超低損耗。
圖六：鐵電薄膜中的疇壁導電。a)電中性疇壁和帶電疇壁示意圖；b)(Bi0.9La0.1)FeO3外延薄膜中可重複的帶電疇壁及其類金屬導電性；c)自組裝鐵酸鉍納米島中拓撲受限的帶電疇壁，其中尾對尾型帶電疇壁中電流比頭對頭型高三個數量級。
圖七：PbZr0.2Ti0.8O3中的通量全閉合疇。a-b) PbZr0.2Ti0.8O3薄膜中的通量全閉合疇；c-e) PbTiO3/SrTiO3多層膜中的通量全閉合陣列。
圖八：鐵電超晶格(PbTiO3)n/(SrTiO3)n中的渦疇陣列。a) 截面掃描透射電鏡高角環形暗場像中渦疇陣列的原子極性位矢圖；b)渦疇陣列的實驗與相場模擬對比圖；c) 渦疇處的負電容效應；d) 能量密度與超晶格層數的關係圖；e) 在光場和熱場調控下共存相與超晶格相之間的相互轉化。
圖九：PZT/STO/PZT異質結中的泡疇。a) 三層結構的示意圖；b) 壓電力顯微鏡下觀測到的泡疇；c) 截面掃描透射電鏡高角環形暗場像及其局部納尺度疇結構；d) 薄膜內部納尺度疇結構的蒙特卡洛模擬。
圖十：鐵電材料中極性斯格明子的理論預測與實驗觀察。a-d) BaTiO3/SrTiO3複合材料中穩定的斯格明子態；e-i) (PbTiO3)n/(SrTiO3)n超晶格中極性斯格明子的實驗觀測與第二性原理模擬。
4、總結與展望
在這篇文章中，作者總結了近十年來鐵性薄膜和異質結中拓撲結構的研究進展。作者強調了納米尺度自旋/極性拓撲結構在新技術應用的重要性，如高密度、低功耗、高速存儲器和邏輯器件。儘管這些拓撲結構已經得到了廣泛的研究並取得了一系列創新性的研究成果。然而，對鐵性薄膜和異質的拓撲結構研究還處於起步階段，存在許多有待解決的問題，如：鐵電渦旋疇和斯格明子的多場調控，氧化物薄膜和異質結中磁性斯格明子的確切證據，是否存在周期有序的極性拓撲結構（如極性斯格明子晶格）和新的極性拓撲結構（如鐵電麥紉和霍普夫子），如何在納米尺度上讀、寫自旋/極性拓撲結構的手性以及拓撲結構在其他材料體系(如多鐵Cu2OSeO3和BiFeO3等)和其他對稱性體系(如不對稱超晶格體系)的拓展問題。
文獻連結：
Recent Progress on Topological Structures in Ferroic Thin Films and Heterostructures (Adv. Mater. 2020, 2000857), https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000857