供稿、摄影：王学云 编辑：赵亚康
近日，北京理工大学王学云，洪家旺团队在力学调控拓扑铁电畴研究中取得重要进展，相关成果以“Mechanical Manipulation for Ordered Topological Defects”为题，发表于国际权威期刊Science Advances期刊。研究团队建立了一种残余应力的力学调控策略，针对拓扑铁电畴结构，通过纳米压痕引入应力与晶格相互作用的马格努斯力，使铁电单晶中的涡旋畴呈现六重对称的分布，进而拓展压痕至划痕，通过纳米划痕将随机分布的涡旋畴调控成大面积（50 μm ´ 500 μm）、高密度（周期 400 nm）、单一手性平行条纹畴，解决了受拓扑保护的铁电畴难以在室温局域精准调控的难题，为其他铁电、铁磁和铁弹等铁性材料的畴调控及应用提供新思路。
拓扑缺陷，作为一种具有拓扑保护的微结构，是研究体系对称性与序参量演变的重要载体。在铁电领域，拓扑畴/畴壁结构展现出新奇物理现象，形成了稳定的荷电畴壁，展现出半波整流效应、高频交流导电特性等潜在应用前景，在多态存储器和纳米电子器件中具有潜在的应用价值。因此，对拓扑铁电涡旋畴的空间有序度进行有效操控至关重要。然而，由于该类型铁电畴结构受到拓扑保护作用，通过电场、温度场等手段难以实现对涡旋畴的精确调控。
在此基础上，研究团队在室温下尝试通过纳米压痕法，在单晶晶面引入应变（图1）。经过热动力学处理，发现围绕压坑附近的涡旋畴重新排列，呈六重对称性分布。为揭示其隐藏的机理，研究团队引入了应变场与涡旋-反涡旋位置之间的相互作用能，得到作用在涡旋中心和反涡旋中心的马格努斯力。在马格努斯力的作用下，涡旋中心和反涡旋中心反向分离。
图1 纳米压痕调控LuMnO3单晶涡旋畴重新分布
基于纳米压痕单点调控局域涡旋畴分布的机制，研究团队通过采用纳米划痕法，扩大了涡旋畴的调控范围（图2），在划痕调控涡旋畴分布策略的基础上，研究团队设计了两条反平行分布的划痕。实现了50 mm宽，周期为400 nm的单一手性高密度条纹畴，并且分布范围可以随着划痕的长度延长至整个单晶长度。为了揭示纳米划痕引入的应变分布状态，研究团队采对划痕附近的应变状态进行表征，结果表明面内应变的分布范围比面外应变分布范围大三个数量级，因此面内应变分布在力学调控拓扑微结构构型与有序度的过程中起着主要作用。
图2 纳米划痕调控形成的高密度条纹畴
宇航学院2019级博士生高子岩为第一作者，王学云副教授、洪家旺教授为共同通讯作者，北京理工大学为论文第一单位，黄厚兵教授、陈亚彬教授、靳柯教授、刘战伟教授、曲兆亮副教授等对该研究工作给予了重要指导和帮助。该研究工作还得到了北京大学、清华大学、北京工业大学、中科院半导体所等合作单位提供的重要支持与协助。该研究工作获得了国家自然科学基金重大研究计划“功能基元序构的高性能材料基础研究”培育项目的支持，同时受到科技部国家重点研发计划、北京市自然科学基金的资助。
全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5894
（审核：龙腾）
