20年前的谜题终于解开研究人员揭示零维铁电体的三维涡旋

无需外部磁场(即永磁体)即可自行保持磁化状态的材料称为铁磁体。铁电体可以被认为是铁磁体的电对应物，因为它们无需外部电场即可保持极化状态。

众所周知，铁磁体在减小到低于某一阈值的纳米尺寸时会失去磁性。当铁电体同样在各个方向上变得极小(即变成零维结构，如纳米颗粒)时会发生什么，长期以来一直是一个争议话题。

韩国科学技术研究院物理系 Yongsoo Yang 博士领导的研究小组通过与 POSTECH、SNU、KBSI、LBNL 和阿肯色大学的国际合作研究，首次通过实验阐明了铁电纳米粒子内部的三维涡旋形极化分布。

该项研究以论文《揭示纳米粒子中极性拓扑的三维排列》的形式在线发表在《自然通讯》杂志上。

约 20 年前，Laurent Bellaiche 教授(现就职于阿肯色大学)及其同事从理论上预测，铁电纳米点内部可能出现一种独特的极化分布形式，即环形涡旋形状。他们还提出，如果能够适当控制这种涡旋分布，则可以将其应用于容量比现有设备高出 10,000 倍以上的超度存储设备。

然而，由于难以测量铁电纳米结构内的三维极化分布，实验未能得到澄清。现在，韩国科学技术研究院的研究团队通过实施一种名为原子电子断层扫描的技术，成功解决了这个 20 年来的难题。

该技术的工作原理是从多个倾斜角度获取纳米材料的原子分辨率透射电子显微镜图像，然后使用先进的重建算法将它们重建为三维结构。

电子断层扫描可以理解为与医院中用于三维观察内脏器官的CT 扫描基本相同的方法;韩国科学技术研究院 (KAIST) 团队对其进行了独特的改进，使其适用于纳米材料，利用单原子水平的电子显微镜进行观察。

研究团队利用原子电子断层扫描技术，完整测量了著名铁电材料钛酸钡(BaTiO 3 )纳米粒子内部阳离子原子的三维位置，并根据精确测定的三维原子排列，进一步在单原子水平上计算出其内部三维极化分布。

通过对极化分布的分析，首次通过实验揭示了零维铁电体内部出现了包括涡旋、反涡旋、斯格明子和布洛赫点在内的拓扑极化有序结构，这与20年前的理论预测一致。此外，还发现内部涡旋的数量可以根据其尺寸进行控制。

Sergey Prosandeev教授和Bellaiche教授(20年前与其他同事在理论上提出了极地涡旋有序化的概念)加入了此次合作，进一步证明了实验获得的涡旋分布结果与理论计算的一致性。

通过控制这些极化分布的数量和方向，预计它可以用于下一代度存储装置，与现有装置相比，该装置可以在相同尺寸的装置中存储超过 10,000 倍的信息量。

领导这项研究的杨博士解释了这一结果的意义：“这一结果表明，仅控制铁电体的尺寸和形状，无需调整衬底或周围环境的影响(如外延应变)，就可以操纵铁电涡旋或其他纳米级拓扑有序。进一步的研究可以应用于下一代超度存储器的开发。”