布洛赫點(diǎn)是矢量場(chǎng)中的奇點(diǎn)，其周?chē)氖噶砍蚩臻g中的各個(gè)方向。早在20世紀60年代，就有學(xué)者在磁性材料中預測磁化布洛赫點(diǎn)的存在。它們在渦旋的翻轉、斯格明子的形成與湮滅等過(guò)程中扮演了重要的角色，是聯(lián)系經(jīng)典磁學(xué)和量子磁學(xué)之間的橋梁。在磁性材料中直接觀(guān)察到磁化布洛赫點(diǎn)是一件非常困難的事情；而在鐵電材料中，僅有少數理論工作預測極化布洛赫點(diǎn)會(huì )在特定條件下出現。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所和松山湖材料實(shí)驗室等單位的科研人員組成的研究團隊在鐵電材料中發(fā)現極化布洛赫點(diǎn)(Bloch point)。這一發(fā)現是繼通量全閉合陣列(Science 2015)、半子晶格(Nature Materials 2020)、周期性電偶極子波(Science Advances 2021)之后，該研究團隊在有關(guān)鐵電材料拓撲疇結構方面的又一項重要突破，豐富了極化拓撲疇結構家族，也為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲器件提供了新思路。2024年5月10日，Nature Communications以“Polar Bloch points in strained ferroelectric films”為題在線(xiàn)發(fā)表了該研究成果。
該研究團隊在前期半子晶格工作的基礎上，利用相場(chǎng)模擬構建對稱(chēng)電極模型，發(fā)現隨著(zhù)電極厚度的增加，匯聚和發(fā)散型半子分別演化成兩種類(lèi)型的布洛赫點(diǎn)：其一是面內匯聚且面外發(fā)散，其二是面內發(fā)散且面外匯聚，如圖1所示。他們利用脈沖激光沉積技術(shù)在SmScO3襯底上生長(cháng)由SrRuO3電極夾持的超薄PbTiO3薄膜（5nm），并通過(guò)像差校正透射電子顯微鏡對平面樣和截面樣進(jìn)行觀(guān)察，在PbTiO3薄膜中觀(guān)察到了面內面外呈發(fā)散和匯聚特征的極化布洛赫點(diǎn)，如圖2所示。進(jìn)一步相場(chǎng)模擬表明：布洛赫點(diǎn)處的極化為0，其周?chē)鷷?huì )出現負電容的區域（圖3），這為新型低功耗電子器件的設計提供了新思路。
該項工作進(jìn)一步完善了通過(guò)失配應變調控鐵電材料疇結構的重要性和有效性，揭示了極化體系中的電偶極子在一定條件下可以形成類(lèi)似特殊凝聚結構的準粒子，對探索基于鐵電材料的高密度非易失性信息存儲器件具有重要意義。同時(shí)，新型鐵電拓撲疇得以在實(shí)空間以直觀(guān)的形式呈現，這表明具有亞埃尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)以及在此基礎上的定量分析是科學(xué)家認識物質(zhì)結構和自然規律的有力手段。
該項工作由中國科學(xué)院金屬研究所、松山湖材料實(shí)驗室、中國科學(xué)院物理研究所、粵港澳大灣區量子科學(xué)中心等單位共同完成，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心的王宇佳研究員和松山湖材料實(shí)驗室的馮燕朋副研究員為論文的共同第一作者，中國科學(xué)院物理研究所、松山湖材料實(shí)驗室的馬秀良研究員為本文通訊作者，該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )、廣東省基礎與應用基礎研究基金、廣東省量子專(zhuān)項基金等項目的支持。
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圖1.相場(chǎng)模擬預測上電極厚度的變化導致半子向布洛赫點(diǎn)轉變(a-e)；(f,g)兩種布洛赫點(diǎn)的局域極化結構；(h)布洛赫點(diǎn)的位置隨電極厚度的變化；(i,j)不同電極厚度的薄膜中的應力分布，表明彈性驅動(dòng)力是導致半子向布洛赫點(diǎn)轉變的主要原因。
圖2.SmScO3襯底上SrRuO3/PbTiO3/SrRuO3三層薄膜的截面樣(b-d)和平面樣(e,f)的像差校正透射電鏡圖像，展示了極化布洛赫點(diǎn)的原子尺度極化構型。
圖3.極化布洛赫點(diǎn)的負電容效應的相場(chǎng)模擬結果。(a)負電容區域（綠色）和布洛赫點(diǎn)（紅色）的分布；(b-f)布洛赫點(diǎn)的極化構型圖和電場(chǎng)分布圖；(g,h)穿過(guò)布洛赫點(diǎn)的極化、電場(chǎng)、介電常數分布曲線(xiàn)。
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