Появление сегнетоэлектрических топологических структур, таких как сегнетоэлектрические поляризационные вихри и поляризационные скирмионы, в сегнетоэлектрическо-диэлектрических сверхрешётках (например, (PbTiO₃)ₙ/(SrTiO₃)ₙ, PTO/STO) является важной вехой в современной физике конденсированного состояния и материаловедении. Поляризационные вихри характеризуются непрерывным вращением поляризации вокруг ядра вихря; их нанометровый размер и сверхвысокая теоретическая плотность хранения делают их идеальными кандидатами для наноэлектронных устройств следующего поколения с высокой плотностью и низким энергопотреблением, а также открывают перспективу энергоэффективной обработки субтерагерцовых (sub-THz) высокочастотных сигналов. Если удастся реализовать управляемое манипулирование этими топологическими структурами, это может коренным образом преобразовать технологии хранения и обработки информации и обеспечить мощную поддержку быстрого развития таких областей, как Интернет вещей, искусственный интеллект и большие языковые модели.

Однако из-за отсутствия соответствующих механизмов взаимодействия в сегнетоэлектрических материалах и сильной связи поляризационных вихрей с кристаллической решёткой наблюдение в реальном времени и управляемое движение поляризационных вихрей под действием электрического поля до сих пор не реализованы. Движение вихрей включает сложные взаимодействия с искажениями решётки, дефектами и внешними полями, что делает их чрезвычайно чувствительными к окружающей среде и сильно закреплёнными, а точное управление и манипулирование — крайне затруднительными, что серьёзно препятствует их практическому применению. Хотя в исследованиях было показано, что структурные дефекты, такие как дислокации, могут совершать возвратно-поступательное движение под действием внешнего электрического поля, вопрос о том, может ли электрическое поле инициировать детерминированное управляемое движение топологических дефектов типа поляризационных вихрей, остаётся ключевой проблемой в этой области и предпосылкой для реализации перестраиваемой оксидной наноэлектроники.

Для решения上述 проблем объединённая команда, состоящая из Чжэцзянского университета, Хайнаньского университета, Индийского института науки и Калифорнийского университета в Беркли и других, провела углублённое исследование с использованием системы измерений in situ TEM компании ZEPTOOLS. Команда, прикладывая локальное сопровождающее электрическое поле с управляемым направлением через зонд проводящей атомно-силовой микроскопии, впервые реализовала детерминированное, обратимое и перестраиваемое управляемое движение границ поляризационных вихрей в оксидной гетероструктуре PbTiO₃/SrTiO₃ и с помощью in situ просвечивающей электронной микроскопии и фазово-полевого моделирования совместно подтвердила механизм топологически защищённого движения, driven by переключением зигзагообразной конфигурации ядра вихря.

Название: Controlled motion of polar vortex boundary in oxide heterostructures 
Журнал: Nature Communications 
Ссылка:http://dx.doi.org/10.1038/s41467-026-78049-z

Данное исследование в первую очередь сосредоточено на создании высококачественных гетероструктур PTO/STO и стабилизации чистой вихревой фазы. Исследовательская группа вырастила буферный слой SrRuO₃ толщиной 5 нм на монокристаллической подложке DyScO₃(001)ₚc и методом импульсного лазерного осаждения с помощью дифракции отражённых высокоэнергетических электронов точно изготовила трёхслойную структуру 20 uc STO/20 uc PTO/20 uc STO. Рентгеновская дифракция и картографирование обратного пространства подтвердили кристаллическое качество плёнки и регулярное вихревое расположение с периодом в плоскости около ~14 нм, а атомно-силовая микроскопия подтвердила послойный режим роста и гладкую морфологию поверхности. Измерения методом пьезосиловой микроскопии и спектроскопии переключения PFM на плотной сетке 50×50 чётко выявили чистую вихревую фазу и пространственное распределение её переключения; результаты показали, что положительное напряжение зарождения V_C⁺ и среднее коэрцитивное напряжение V_C на границах вихрей значительно ниже, чем в объёме вихря, что указывает на более высокую чувствительность этих областей к сопровождающему электрическому полю и даёт ключевое физическое обоснование для управления движением границ вихрей с помощью слабого электрического поля.

На上述 основе исследование сосредоточено на том, как достичь детерминированного движения границ вихрей под действием электрического поля. Команда использовала зонд проводящей атомно-силовой микроскопии для приложения локального сопровождающего электрического поля вдоль заданной траектории. После сканирования вдоль определённой траектории с положительным сопровождающим электрическим полем +5 В (50 нм/с) исходная граница вихря переместилась слева направо, а после последовательного приложения PD1–PD7 суммарное смещение достигло ~1170 нм; после переключения на отрицательное сопровождающее электрическое поле −5 В (ND1–ND6) граница вихря сместилась обратно на ~928–1400 нм и постепенно вернулась в исходное положение. При этом только изменение направления движения зонда при сохранении полярности также позволяло实现 обратимое возвратно-поступательное движение границы. Для проверки этого управляемого процесса в реальном времени на атомном масштабе исследовательская группа провела эксперименты с использованием держателя образца с in situ зондом для просвечивающего электронного микроскопа компании ZEPTOOLS. Прикладывая электрическое поле +17 В к электроду через вольфрамовый зонд, они наблюдали в реальном времени, как ядра вихрей перестраиваются из зигзагообразного расположения в почти плоскую конфигурацию и образуют чёткую границу. После снятия электрического поля топологическое состояние вихря оставалось стабильным, а последующее повторное приложение электрического поля могло ещё больше сместить границу вправо. Эти результаты хорошо согласуются с наблюдениями PFM, убедительно подтверждая топологически защищённую природу движения границ вихрей.

Затем исследование более глубоко раскрыло микроскопический физический механизм управляемого движения границ вихрей. Фазово-полевое моделирование на основе зависящего от времени уравнения Гинзбурга–Ландау показало, что это движение определяется переключением зигзагообразного узора в ядре вихря; профиль полной энергии демонстрирует заметный пик в процессе смещения границы, что соответствует переходному состоянию искажения вихревой конфигурации под приложенным электрическим полем, а после релаксации энергия снижается до нового локального минимума. Градиентная энергия (включая взаимодействия типа Дзялошинского–Мории) при приложении электрического поля уменьшается из-за частичного подавления вращения вихрей, а после снятия поля резко возрастает при реконструкции вихрей; пик энергии обусловлен переходным антипараллельным выстраиванием локальной поляризации и внешнего поля. Обращение полярности электрического поля может вернуть границу в исходное положение и обеспечить обратимое движение. Смещение границы при непрерывном смещении в моделировании согласуется с наблюдениями in situ эксперимента, что полностью проясняет с энергетической точки зрения физическую природу обратимого движения границ вихрей, driven by сопровождающим электрическим полем.

В конечном итоге исследование сосредоточилось на временной стабильности движения границ вихрей и потенциале их применения в устройствах. После воспроизведения эксперимента в новой области команда проводила почасовой мониторинг эволюции перемещённой границы вихря в течение целых 120 дней. Результаты показали, что через 2 дня, 8 дней, 30 дней и 120 дней в перемещённой границе вихря не наблюдалось измеримой релаксации, и состояние смещения сохранялось долговременно. Это объясняется собственной топологической защитой вихревой структуры, которая подавляет самопроизвольное обращение, что резко контрастирует с поведением традиционных сегнетоэлектрических доменов, легко релаксирующих обратно в исходную конфигурацию. Исследование также показало, что приложение локального электрического поля может не только управлять переключением вихрей в целевой точке, но и индуцировать дальнодействующие нелокальные модификации, простирающиеся на сотни нанометров, что отражает присущую динамике параметра порядка коллективную и нелокальную природу и закладывает прочную основу для разработки сегнетоэлектрической памяти типа racetrack, перестраиваемых логических устройств, а также сверхмалых перестраиваемых конденсаторов и транзисторов — наноэлектронных устройств следующего поколения с низким энергопотреблением и высокой плотностью.

ZEPTOOLS как китайская компания по производству высокоточных прецизионных приборов является первоклассным поставщиком решений для in situ характеризации методом электронной микроскопии. Выпускаемая ею серия PicoFemto решений для in situ характеризации методом просвечивающей электронной микроскопии последовательно обеспечивала техническую поддержку важных научных результатов пользователей в стране и за рубежом. На рисунке ниже показан продукт — держатель образца для in situ TEM компании ZEPTOOLS, использованный в данном исследовании: