中山大学陈伟津教授课题组在斯格明子力电耦合研究取得新进展

铁电超晶格和多层膜中的极性斯格明子因其非平庸的拓扑结构以及负电容、非线性光学效应等新奇特性而广受关注。在这些体系中，极性斯格明子一般呈现位置随机的无序分布状态。若将斯格明子类比原子，该状态可视为斯格明子的非晶格态，而其长程有序相则对应斯格明子的晶格态。可以预见，极性斯格明子的长程有序性，会对斯格明子材料的宏观物性产生重要影响。因此，对长程有序的极性斯格明子晶格的探索和确定性控制不仅在物理上很有趣，在实际应用中也是非常重要的。目前，仅有少数理论研究表明，极性斯格明子可以自发形成具有长程序的六角晶格。另一方面，极性缺陷，如畴壁、涡旋和斯格明子，其尺寸通常在纳米量级，且具有较大的应变和极化梯度，导致挠曲电效应不可忽视。已有研究表明，挠曲电效应会诱导畴壁相对于晶轴的取向各向异性。该各向异性预计会对极性斯格明子晶格的长程序产生影响。因此，可以提出以下有趣但尚未被探讨的问题：挠曲电效应在极性斯格明子晶格的稳定和转变中起到何种作用？如何通过挠曲电效应实现对极性斯格明子晶格的确定性控制？

中山大学材料学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室陈伟津教授课题组采用相场模拟方法，揭示了挠曲电效应在极性斯格明子晶格的稳定和转变中的关键作用。研究发现，在挠曲电效应的作用下，铁电PbTiO3（PTO）薄膜中可以稳定不同的极性斯格明子晶格（SkL），包括四方SkL（T-SkL）和具有不同取向的六角SkL（H-SkL）[如图1a-g所示]。这些不同SkL态的出现可以归因于挠曲电效应调制的各向异性。有趣的是，通过向薄膜施加应变梯度或面内电场，可以使H-SkL发生旋转[如图1h所示]。此外，还存在一种由挠曲电效应引起的T-SkL的新型非互易弯曲响应[如图1i所示]。这些结果表明，挠曲电性和极性拓扑的耦合不仅可以显著调控极性拓扑结构的长程有序性，且对其力学和电学操控产生重要的影响。对周期性极性拓扑结构的全面理解，是开发和设计基于极性拓扑织构的超材料和光电器件的基础。该研究揭示了挠曲电性和其他因素（如弯曲应变和外电场）在稳定、设计和操控由极性拓扑织构组装的层展晶格中的关键作用，为实验实现和操控极性斯格明子晶格提供了有益的指导。

图1：a在选定条件下铁电薄膜中T-SkL的三维面外极化分布。右侧示意性地给出了薄膜顶部、中部和底部（001）平面内极性斯格明子泡的极化结构。b薄膜中极化态的“相图”。c-g相场模拟揭示的不同极性SkL图案的示意图。hH-SkL在弯曲退火下的旋转示意图。iT-SkL的非互易弯曲响应：在弯曲下变为v1H-SkL，但在相反的弯曲下保持不变。

该成果以“Emergence and Transformation of Polar Skyrmion Lattices via Flexoelectricity”为题发表在国际知名期刊《npj Computational Materials》上。该工作由中山大学独立完成，材料学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室陈伟津教授与物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授为论文通讯作者，博士研究生任建华为第一作者，该研究工作得到了国家自然科学基金委、广东省磁电物性分析与器件重点实验室以及光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。