铁电极化涡旋铸造信息“超高速路”

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原文作者:Igor Luk’yanchuk & Valerii M. Vinokur

在一种被称为铁电体(ferroelectric)的材料中,人们观察到电极化涡旋(Vortices of electrical polarization)以极高的频率振动。这种振动可以通过电场直接控制,从而实现数据的超快处理。

古希腊哲学家德谟克里特(Democritus)认为,物质的涡旋和原子是构成宇宙的基本要素。如今,从宏观的涡旋星系到水中的涡流,再到微观的超导体和量子流体等各个尺度,都能观察到涡旋现象。并且,人们发现涡旋的存在会极大地影响诸如超导体、铁磁体(ferromagnets,表现出铁磁性的材料)和铁电体(铁磁体的电学孪生物质)等许多材料的特性。在《自然》发表的一篇文章中,李千等人[1]报道了铁电极化涡旋能够以太赫兹量级的频率振动(1太赫兹等于1012赫兹)。这种涡旋的集体动力学有望为电场驱动的超快数据处理提供平台。

铁电体具有固有的电极化,这是由带正、负电荷的离子在相反方向上的微小相对位移引起的。在纳米尺度的铁电体中,这些离子不仅与外加电场相互作用,而且由于在材料表面出现的电荷产生大量的内部电场,离子通过这些内部电场产生的自相互作用而生成大量的极化模式——例如涡旋和被称为斯格明子(Skyrmions)和霍普夫子(Hopfions)的复杂结构。在此之前,人们对这些极化模式的动力学行为仍停留在推测阶段[2-5],还没有在实验上证实。

为了解决这一问题,李千和同事们采用了一种名为铁电超晶格的结构,这种结构由铁电体和绝缘体薄膜交替堆叠而成。自固体物理学兴起以来[6,7],人们就知道磁性薄膜中具有周期性反方向交替的磁化畴。但直到最近几十年,人们才认识到类似的极化畴也出现在铁电体中。与孤立铁电体相比,铁电超晶格中的极化模式更为精细,并且在畴之间逐渐变化[8]。此外,实验证明,这种模式会演化成一个周期性的涡旋和反涡旋(旋转方向相反的涡旋)系统[9]。

作者利用太赫兹超短脉冲在超晶格铁电薄膜中产生涡旋运动。然后他们采用一种被称为超快X射线衍射的技术来探测周期性涡旋-反涡旋结构的动力学行为。这些最先进的实验方法使得李千等人能够在皮秒(1皮秒为10–12秒)时间尺度上直接诱导和分析极化涡旋的集体运动。他们在0.08太赫兹处探测到一个单一的振动模式,并在0.3–0.4太赫兹处探测到一组这样的振动模式。

从动力学上讲,涡旋-反涡旋系统(图1a)类似于弹簧连接而成的线型球链。其中的弹力是通过维持涡旋周期性的离子之间的静电作用来实现的。该系统可以产生两种类型的集体振动:上下(横向)运动(图1b)和左右(纵向)运动(图1c)。

图1 | 铁电薄膜中的极化涡旋。a,铁电薄膜材料包含多个畴,畴之间由称为畴壁的边界隔开。相邻畴的薄膜表面带有相反的电荷(用正负符号表示)。在平衡状态下,这些正负电荷的大小相等。电极化的模式(用浅色箭头所示)为一个涡旋和反涡旋(旋转方向相反的涡旋)的周期性系统。李千等人[1]研究了该系统的动力学行为,并用弹簧连接的球链系统作类比。b,涡旋-反涡旋系统可以产生横向振动(用黑色箭头表示)。此时畴壁不动,表面电荷的大小保持均衡。c,该系统也会发生纵向振动(用黑色箭头表示)。此时畴壁的联动会导致薄膜表面的正负电荷大小发生变化。

李千等人将他们探测到的0.08太赫兹处的模式归于横向振动。这种以前看不见的涡旋运动表明,在涡旋中心形成锯齿形链状态的过程中伴随着不稳定性。与0.08太赫兹处的模式相比,0.3–0.4太赫兹处的模式则与更复杂的涡旋动力学有关,因此很难被归于某一种特定类型的振动。

为了揭示涡旋动力学的全貌,未来还需要区分涡间运动、涡内运动和涡旋弯曲。此外,还必须确定振动的纵向模式。这种模式与一连串畴壁(畴之间的边界)的交替位移相关联,并且具有由表面电荷的相关联的动力学引起的显著特性。

在金属中,表面电荷以对应于紫外光(约1015赫兹)的频率振荡,这种集体振荡被称为等离子体激元。类似地,在铁电薄膜中,纵向模式使得表面电荷以太赫兹频率振荡,并且这种集体振荡能被看作是极化等离子体激元。在这种薄膜中就会像在金属中一样,当外加电场的频率低于等离子体激元的振荡频率时,介电常数为负值。然而令人意外的是,当外加电场的频率趋于零时,铁电薄膜中的介电常数仍然保持为负值,从而产生负电容效应[5]——这一现象有望降低下一代纳米电子器件的功耗。

在过去的十年中,无线电波段和红外光波段太赫兹半导体器件的开发取得了长足进展。这些器件的潜在应用包括海量数据的无线传输、远程安全威胁的检测、6G无线技术以及无创医学成像等。李千和合作者们发现纳米铁电薄膜中的极化涡旋能够以太赫兹量级的频率振动,这一发现有助于将太赫兹器件缩小到纳米尺度,实现电场驱动下的高速、高密度数据处理。这一进展还有望促进太赫兹光电子学(terahertz optoelectronics)和等离子体光子学(plasmonics)、超快数据交换和新兴计算机电路中的芯片内通信技术的发展。

参考文献:

1. Li, Q.et al. Nature592, 376–380 (2021).

2. Zhang, Q., Herchig, R. & Ponomareva, I.Phys. Rev. Lett.107, 177601 (2011).

3. Gui, Z. & Bellaiche, L.Phys. Rev. B89, 064303 (2014).

4. Hlinka, J., Paściak, M., Körbel, S. & Marton, P.Phys. Rev. Lett.119, 057604 (2017).

5. Luk’yanchuk, I., Sené, A. & Vinokur, V. M.Phys. Rev. B98, 024107 (2018).

6. Landau, L. D. & Lifshitz, E. M.Phys. Z. Sowjet.8, 153–169 (1935).

7. Kittel, C.Phys. Rev.70, 965–971 (1946).

8. De Guerville, F., Luk’yanchuk, I., Lahoche, L. & El Marssi, M.Mater. Sci. Eng. B120, 16–20 (2005).

9. Yadav, A. K.et al. Nature530, 198–201 (2016).

原文以Dynamics of polarization vortices revealed in a ferroelectric material为标题发表在2021年4月14日的《自然》的新闻与观点版块上

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doi: 10.1038/d41586-021-00887-2

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来源:物镜世界

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