Ключевые слова данной статьи: in situ‑TEM, исследование и наблюдение скирмионных пакетов, экспериментальная методика in situ‑TEM‑управления электрическим полем, in situ‑TEM‑тестирование с электрическим смещением вольфрамового зонда, приложения серии PicoFemto для in situ‑TEM, характеристика полярной структуры скирмионов в режиме in situ‑TEM, тестирование оксидных сверхрешёток в режиме in situ‑TEM, in situ‑регулирование топологического заряда, адаптация двойного наклонного зондового стержня FEI к in situ‑TEM, наблюдение полиморфных топологических структур в режиме in situ‑TEM, поддержка исследований по неэнергетической памяти в режиме in situ‑TEM, разработка технологий интегрированной вычислительной и хранящей архитектуры на основе in situ‑TEM, измерительная система in situ‑TEM компании Zeyou Technology, применение двойного наклонного зондового стержня FEI, решения для in situ‑характеризации с помощью просвечивающего электронного микроскопа, продукты серии PicoFemto для in situ‑TEM, эксперименты по электрическому смещению вольфрамового зонда в режиме in situ‑TEM, поставщик высококлассных систем in situ‑электронной микроскопии.

По мере взрывного роста потребностей в хранении данных традиционные технологии хранения сталкиваются с двойным ограничением — по плотности и по стабильности. Скирмионы, будучи новым типом топологической структуры, демонстрируют перспективы применения в памяти на основе спиновых дорожек; однако режим кодирования одного бита одним скирмионом чрезвычайно подвержен потере данных при изменении межскутерного расстояния. В то же время создание стабильных полярных скирмионных «мешков» в сегнетоэлектрических системах сталкивается с фундаментальной проблемой: в отличие от магнитных материалов, где топологическая структура может быть стабилизирована взаимодействием Дзялошинского–Мория, в сегнетоэлектриках отсутствует эквивалентный механизм, а управление многоуровневыми полярными топологическими состояниями при комнатной температуре представляется особенно сложным.

В стратегическом плане необходимо добиться прорыва в технологии точного формирования высокоразрядных программируемых топологий электрического поля, разработать новую парадигму прямого отображения топологического заряда на электрические сигналы считывания, чтобы обеспечить многобитовое хранение в одном элементе и сверхнизкое энергопотребление при обработке данных. Исследование полярных скирмионных пакетов не только открывает путь к повышению плотности хранения на порядки, но и предлагает принципиально новую архитектуру для наноэлектроники с низкими потерями и устойчивостью к помехам в постмуро‑эпоху; это обладает незаменимой стратегической значимостью для преодоления ограничений «стены памяти» и создания интегрированных вычислительно‑хранилищных систем.

В ответ на вышеуказанные проблемы команда, в состав которой вошли сотрудники Чжэцзянского университета, Индийского института наук и других организаций, провела комплексное исследование с использованием системы in situ‑измерений ПЭМ компании Зэюй Технолоджи. Ключевая инновация заключается в том, что впервые в суперрешётках из сегнетоэлектрических и диэлектрических оксидов удалось осуществить создание, эволюцию и стирание полярных скирмионных пакетов при комнатной температуре, а также управлять их внутренним топологическим зарядом с помощью электрического поля, что обеспечивает новую топологическую основу для следующего поколения высокоплотных многопозиционных запоминающих устройств.

Заголовок: Связка комнатно-температурных полярных скирмионов в оксидной сверхрешётке
Журнал: Природа Коммуникации
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1038/s41467- 025-64858-1

Система поляризованных скирмионов при комнатной температуре

В данном исследовании в качестве модельной системы использовалась оксидная сверхрешётка PbTiO₃/SrTiO₃ (PTO/STO); первоочередной задачей было выяснить, возможно ли при комнатной температуре стабильно получить полярную структуру с чётко выраженными топологическими свойствами. Исследовательская группа подготовила высококачественные эпитаксиальные сверхрешёточные плёнки методом импульсного лазерного осаждения с поддержкой RHEED‑диагностики и с помощью рентгеновской дифракции и обратного пространственного отображения подтвердила их хорошую периодичность и эпитаксиальное качество. На этой основе, совместив характеристики, полученные с помощью HAADF‑STEM, пьезоэлектрической микроскопии (PFM) и проводящей атомно‑силовой микроскопии (cAFM), учёные при комнатной температуре ясно наблюдали полярные скирмионные пузырьки с вихревой поляризацией. Эти скирмионы не только обладают структурной устойчивостью, но и проявляют усиленные локальные проводящие свойства в электрических измерениях, что обеспечивает надёжную физическую основу для последующего управления более сложными топологическими структурами посредством внешнего электрического поля.

Электрическое поле как индуктор: как из скирмиона формируется скирмионный пакет

После подтверждения устойчивого существования полярных скирмионов основная проблема исследования перешла к следующему вопросу: можно ли в сегнетоэлектрических системах с помощью электрического поля формировать более высокие порядки топологических структур — пакеты полярных скирмионов. Экспериментальные данные и моделирование методом фазового поля совместно показывают, что при воздействии локальных импульсов электрического поля, создаваемых зондами PFM или cAFM на поверхности образца, исходные полярные скирмионы под действием электрического поля расширяются, деформируются и взаимно соединяются.

По мере продолжения действия электрического поля соседние скирмионы постепенно формируют замкнутое кольцевое ограничение, которое разделяет внутреннюю область и внешние скирмионы; после удаления внешнего электрического поля эта структура подвергается релаксации и стабилизируется, в результате чего образуется полярная структура «скирмионного пакета», состоящая из наружной «оболочки‑стены» и нескольких внутренних скирмионов с противоположной полярностью. Моделирование методом фазового поля наглядно раскрывает динамический процесс перехода от одиночного скирмионного состояния к «пакетной» топологической структуре, что в высокой степени согласуется с экспериментальными наблюдениями.

Верификация in situ с помощью STEM: действительно ли существуют скирмионы?

Для непосредственной проверки формирования пакетов скирмионов на более высоком пространственном разрешении исследовательская группа дополнительно провела in situ‑эксперименты с использованием STEM. В данном эксперименте исследователи использовали систему измерений in situ при помощи ТЭМ компании Zeyou Technology, в условиях просвечивающего электронного микроскопа прикладывая перпендикулярное электрическое смещение между вольфрамовым зондом и верхним проводящим слоем золота на образце. После приложения электрического смещения в режиме in situ STEM‑имиджинг чётко выявлены структуры пакетов скирмионов с чётко определёнными границами; их внутренняя часть содержит несколько полярных скирмионов, а их морфология согласуется с предсказаниями модели фазового поля. Этот эксперимент in situ на структурном уровне непосредственно подтвердил реальное существование пакетов полярных скирмионов.

Обратимое управление и полиморфный топологический заряд: ключевой шаг на пути к применению в памяти

После подтверждения возможности стабильного создания скирмионных пакетов исследование было продолжено с изучением их обратимости и управляемости. Результаты экспериментов и численных моделирований показали, что изменение знака приложенного напряжения позволяет осуществлять стирание и реконструкцию скирмионных пакетов: обратное напряжение разрушает внешнюю оболочку, возвращая систему к обычному состоянию скирмиона, тогда как повторное приложение напряжения первоначальной полярности приводит к восстановлению скирмионного пакета. Этот процесс обладает высокой повторяемостью, что свидетельствует о надёжных свойствах управления электрическим полем.

Более того, исследование показало, что, регулируя амплитуду приложенного напряжения, можно непрерывно изменять число скирмионов, содержащихся внутри пакета скирмионов, тем самым осуществляя в‑сitu‑контроль их топологического заряда. Поскольку как границы, так и внутренние области пакета скирмионов проявляют усиленные локальные проводящие свойства, топологический заряд может быть соотнесён с измеряемыми электрическими сигналами. Это позволяет отдельному пакету скирмионов хранить многоразрядную информацию, открывая чёткий физический путь к созданию будущих энергонезависимых, многопозиционных и высокоплотных запоминающих устройств.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑характеризации с помощью трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование компании Zeyou Technology, использованное в рамках данного исследования: