中科大校友揭示铁电体材料小漩涡奥秘

激情四溢的足球赛中，热情球迷们总会在球场中玩起 “人浪” 的游戏，这种由孤立的点形成 “和谐” 形状的现象，也是物理学家们关注的，例如与人浪很相似的 “波” 现象。集体的力量是无限的，一个人能做一些事，而一群人能做很多事。

就像我们看大雁，一会儿排成一字，一会儿排成人字，这些队形都是有利于大雁集体迁徙的。而如果原子、电子以某种形式或在某种条件下，一起参与集体运动，新的现象就可能发生。

近几年，在凝聚态物理学中新兴了一个研究方向 ——“集体动力学”，专门研究微小尺寸粒子的 “集体运动”，探求其背后的物理机制。

其中，有关磁涡旋和斯格明子的研究，不仅拓宽了我们对于多体物理学的理解，还为数据处理和存储技术指明潜在应用方向。

可以说，在当下这个高速高带宽世界，我们一直都需要处理和存储信息的新方式。最近几十年来，数据存储设备的主体，主要是半导体和磁性材料。

但是，研究人员们已经转向铁电材料，这是一种能用电操纵的晶体。2016 年，科学家在材料结构中发现了极性涡旋，这是一种螺旋形的原子团，它让铁电学的研究变得更加有趣。

就在最近，中科大校友、美国阿贡实验室 X 射线科学部（XSD）的物理学家文海丹和合作者，发现了有关涡旋行为的新发现，这些新发现还有望用于快速通用的数据处理和存储。

图?| 文海丹（来源：受访者）

该研究成为当期《自然》杂志的封面故事，研究成果以论文形式发表在 Nature 上，论文题为《极性涡旋的亚太赫兹集体动力学》 （Subterahertz collective dynamics of polar vortices），研究中他主要探索了材料中原子团的超快行为和意义。

图 | 当期《自然》封面（来源：《自然》）

即使材料中的原子团静止不动，这些极性涡旋也存在。而这种新型的螺旋状原子运动不仅能被诱使发生，还可以被操纵。

其表示：“尽管单个原子的运动可能不会太令人兴奋，但这些集体运动共同创造了新的现象，这是 “层展现象” 的一个例子，可能具有我们以前无法想象的功能。”

这些涡流确实很小，大约只有五到六纳米宽，比人类头发的直径还要小数千倍。所以在实验室环境中，根本看不到它们的动态，故此需要通过施加超快电场来激发其行动。

首创采用铁电超晶格结构，并观测到超快集体极化动力学

研究中，文海丹利用太赫兹信号和飞秒 x 射线探测仪器观测到铁电体中的极化涡旋，他和团队首创采用了铁电超晶格结构 ——PbTiO3/SrTiO3 超晶格，并在其中观测到了超快集体极化动力学。

简单地说，该团队采用太赫兹的信号输入，采用匹配的飞秒 x 射线探测仪器观测到了原子集体的运动，并且它们形成了十分玄妙的瞬态图案。

图 |?极性涡旋集体动力学的出现及其实验检测（来源：《自然》）

对于这样的实验，文海丹在接受 DeepTech 采访时用一个形象的比喻描述整个实验过程：“我们过去一直在研究基于太赫兹和铁电体系相互作用的超快现象。太赫兹可以看作一个变化极快的电场，比任何目前的电子线路里的电场都要快。

这就为研究电控超快过程提供了一个有力工具。而铁电材料是可以直接受电场调控的，但是这种调控能在多快时间尺度下实现，有没有个极限，这都是现在大家感兴趣的课题。”

他还表示，自己和团队已经使用同样的手段（太赫兹激发，超快 x-ray 探测）研究过一些经典铁电体系。现在，他们用同样的方法研究了更复杂、也更有趣的纳米涡旋结构。

据悉，这种实验需要用到最先进的实验装置 —— 自由电子激光。这种装置能够提供足够强而且足够短的 x-ray 脉冲，就像抓拍运动员踢球的动作需要超快的快门，拍摄原子运动也需要超快的 x-ray 脉冲作为快门。

先进光子源，能在纳秒级的时间尺度上拍摄这些漩涡的快照，这比比眨眼的速度快一亿倍，但文海丹团队发现这还不够快。他说：“我们知道某些激动人心的事情正在发生，但我们无法察觉。”

图 |?高频集体模式（来源：《自然》）

文海丹和同事花了很多年研究这些涡旋，首先是在阿贡国家实验室使用先进光子源（APS）的超高照 X 射线。使用先进光子源，团队得以使用激光去创建新的物质状态，并使用 X 射线衍射获得其结构的全面图片。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0517/878.html