微小的电涡流在铁电材料和铁磁材料之间架起了桥梁

诸平

Fig. 1 The image represents the 3D model of the polarisation pattern in the ferroelectric PbTiO3 representing the cycloidal modulation of the vortex core. Credit: University of Warwick

据英国华威大学（University of Warwick）2022年2月9日提供的消息，铁磁材料具有自生磁场，铁电材料具有自己的电场。虽然电场和磁场是相关的，但物理学告诉我们它们是非常不同的一类材料。现在，由华威大学领导的科学家们研究团队发现了一种复杂的电子“漩涡”图案（Fig. 1），这种图案反映了磁场的对应物，这表明它们实际上可能是同一枚硬币的两面（Tiny electrical vortexes bridge gap between ferroelectric and ferromagnetic materials）。图1代表了铁电性钛酸铅(PbTiO₃)极化模式的三维模型，代表了旋涡核心的摆线调制。相关研究结果于2022年2月9日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Dorin Rusu, Jonathan J. P. Peters, Thomas P. A. Hase, James A. Gott, Gareth A. A. Nisbet, Jörg Strempfer, Daniel Haskel, Samuel D. Seddon, Richard Beanland, Ana M. Sanchez, Marin Alexe. Ferroelectric incommensurate spin crystals. Nature, Published: 09 February 2022. Volume 602, pages 240–244. DOI: 10.1038/s41586-021-04260-1. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04260-1

参与此项研究的除了华威大学的研究人员之外，还有来自爱尔兰都柏林圣三一学院（Trinity College Dublin, Ireland）、英国钻石光源（Diamond Light Source, Didcot, UK）以及美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, Lemont, IL, USA）的研究人员。

此项新研究由英国研究和创新（UK Research and Innovation）的一部分，即工程和物理科学研究委员会(Engineering and Physical Sciences Research Council简称EPSRC),和英国皇家学会（Royal Society）资助,结果给除了在铁电材料（ferroelectric materials）与铁磁体（ferromagnets）中的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用流程中的第一个证据。这种特殊的相互作用在稳定拓扑磁结构如斯格明子（skyrmions）中扮演着关键的角色，它可能是开发它们的电子类似物的潜在的新电子技术的关键。

块状铁电晶体已经在声纳（sonar）、音频换能器（audio transducers）和致动器（actuators）等一系列技术中应用多年。所有这些技术都利用了材料的本征电偶极子及其晶体结构与应用场之间的相互关系。在这项研究中，科学家们创造了一种铁电体钛酸铅（ferroelectric lead titanate）薄膜，夹在铁磁体钌酸锶（ferromagnet strontium ruthenate）层之间，每层大约4 nm厚——仅为单链DNA的两倍厚。

虽然这两种材料的原子形成了单一的连续晶体结构，但在铁电体钛酸铅层中，电极化通常会形成多个“畴（domains）”，就像蜂巢一样。这些畴（domains）只能用最先进的透射电子显微镜和X射线散射来观察。

但是，当华威大学的研究小组检查复合层的结构时，他们发现钛酸铅中的畴是一种复杂的涡线拓扑结构，在不同方向交替旋转。在铁磁体中也发现了几乎相同的行为，已知其由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(Dzyaloshinskii–Moriya interaction简称DMi)产生。

华威大学物理系的首席作者马林·阿列克谢（Marin Alexe）教授说:“如果你观察这些特性是如何缩小的，铁磁性和铁电性之间的区别就变得越来越不重要了。它们可能会在某一时刻合并成一种独特的材料。这可能是人为的，并结合非常小的铁磁体和铁电体，以利用这些拓扑特征。我很清楚，就这项研究的走向而言，我们还处在冰山一角。”

上述研究报告的合作者、华威大学研究生多林·鲁苏(Dorin Rusu)说:“意识到铁电体偶极纹理在一定程度上模拟了它们的磁性对应物，这确保了对驱动这种相似性的基础物理学的进一步研究。当你考虑到电场和磁场的起源和强度的差异时，这个结果就不是一件微不足道的事情了。”

这些涡流的存在之前已经被理论化了，但这需要使用华威大学的尖端透射电子显微镜，以及其他四个设备的同步加速器，才能准确地观察到它们。这些技术使科学家能够非常确定地测量每个原子的位置。

合著者安娜·桑切斯教授（Professor Ana Sanchez）说:“在理解这些拓扑结构方面，电子显微镜是一项改变游戏规则的技术。它是揭示这些新材料的里里外外的关键工具，使用亚原子电子束（subatomic beam of electrons）来生成内部结构的图像。”

合著者托马斯·哈斯教授（Professor Thomas Hase）补充说:“访问英国、欧洲和美国的高端设施对这项研究至关重要。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Tiny electrical vortexes bridge gap between ferroelectric and ferromagnetic materials

寻找斯格明子（skyrion）现象发现更奇怪的磁珠项链（Search for skyrmion phenomenon finds even stranger magnetic beaded necklace）

Abstract

Ferroics, especially ferromagnets, can form complex topological spin structures such as vortices¹ and skyrmions^2,3 when subjected to particular electrical and mechanical boundary conditions. Simple vortex-like, electric-dipole-based topological structures have been observed in dedicated ferroelectric systems, especially ferroelectric–insulator superlattices such as PbTiO₃/SrTiO₃, which was later shown to be a model system owing to its high depolarizing field^4,5,6,7,8. To date, the electric dipole equivalent of ordered magnetic spin lattices driven by the Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMi)^9,10 has not been experimentally observed. Here we examine a domain structure in a single PbTiO₃ epitaxial layer sandwiched between SrRuO₃ electrodes. We observe periodic clockwise and anticlockwise ferroelectric vortices that are modulated by a second ordering along their toroidal core. The resulting topology, supported by calculations, is a labyrinth-like pattern with two orthogonal periodic modulations that form an incommensurate polar crystal that provides a ferroelectric analogue to the recently discovered incommensurate spin crystals in ferromagnetic materials^11,12,13. These findings further blur the border between emergent ferromagnetic and ferroelectric topologies, clearing the way for experimental realization of further electric counterparts of magnetic DMi-driven phases.