近些年來先後在理論和實驗上發現了鐵電材料中可以形成尺寸低至幾個納米的極性拓撲結構，如通量閉合疇、渦旋疇和斯格明子等，由於極性拓撲疇結構具有拓撲保護性，而且尺寸小，引起了探索新一代非易失性超高密度信息存儲器件的興趣。實際器件操作大多是基於外場對結構單元極化態和拓撲相變的調控，研究單個鐵電疇結構的極化分布以及外場操控下拓撲相變動力學過程是器件應用的基礎。然而，極性拓撲結構的形成是體系中彈性能、靜電能和梯度能之間在微小差別內相互競爭平衡的結果，如何實現局域外場對微區結構的精確調控以及相變過程的精細表徵是一個非常大的挑戰。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心白雪冬課題組通過發展透射電鏡中的掃描探針技術，自主研製出具有原子分辨的原位綜合物性測量與調控裝置。最近,他們利用原位高分辨電鏡技術，在原子尺度觀測到PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜中的鐵電通量閉合疇結構（flux-closure）（圖1）在外場下演變的完整過程，通過掃描針尖局域電場/應力場操控技術，實現了該結構在極性拓撲疇和普通鐵電相之間的可逆轉換；相場模擬結果給出了外場調控極性拓撲相變的物理機制。研究結果以「Atomic-scale observations of electrical and mechanical manipulation of topological polar flux-closure」為題發表在Proc. Natl. Acad. Sci. USA（DOI：10.1073/pnas.2007248117）上，該工作與北京大學、湘潭大學、浙江大學等單位合作完成，中科院物理所博士生李曉梅為文章共同第一作者（排名1/3）。
圖1. PTO/STO超晶格中的通量閉合疇結構
在外電場操控下（圖2），通過疇壁的移動實現了通量閉合核的橫向移動，極化方向與外電場一致的c疇逐漸變大，而極化方向與外電場方向相反的c疇逐漸減小至消失，伴隨著180°疇壁和通量閉合核的消失，形成中間態的a/c疇結構，進一步增大電場可以獲得單一的c疇。
圖2. 通量閉合疇結構在外電場下的演化過程
在應力場操控下（圖3），垂直於界面的壓縮應力導致了通量閉合結構中c疇的收縮和a疇的增大，並伴隨著通量閉合核沿180°疇壁向界面的移動，當通量閉合核移動到界面並消失則變為中間態a/c疇，進一步增大應力則可以獲得單一的a疇。以上演化過程為完全可逆的，當撤掉外界刺激後則恢復到初始的通量閉合疇結構。
圖3. 通量閉合疇結構在外力場下的演化過程
相場模擬結果可以完全再現實驗過程(圖4)，獲得相變過程中幾種能量的演化及相互競爭變化關係，揭示了鐵電通量閉合疇外場調控的物理原理。
圖4. 通量閉合疇結構相變的相場模擬結果
這項工作得到了國家重大科研裝備研製項目（ZDYZ-2015-1）和基金委等項目的資助。
文章連結：https://www.pnas.org/content/early/2020/07/23/2007248117?cct=1816
編輯：米老貓