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磁性斯格明子是一種具有準(zhǔn)粒子特性的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)。類比由自旋構(gòu)成的磁性斯格明子，極性斯格明子由電偶極子構(gòu)成。2019年美國加州大學(xué)伯克利分校S. Das教授、R. Ramesh教授和合作者通過改變外延約束條件，利用原子分率掃描透射電子顯微鏡，在鈦酸鍶層包裹的鈦酸鉛層中發(fā)現(xiàn)了室溫極性斯格明子，相關(guān)研究成果以“Observation of room-temperature polar skyrmions”發(fā)表在了Nature上。極性斯格明子具有手性、負(fù)電容性、拓?fù)浔Ｗo(hù)性，且尺寸比較小（幾納米），有望被應(yīng)用于高性能、低功耗的納米電子器件當(dāng)中。在基于極性斯格明子納米電子器件的開發(fā)中，了解外場激勵下極性斯格明子的相轉(zhuǎn)變行為，掌握外場激勵下極性斯格明子的操控是先決條件。近日，北京大學(xué)物理學(xué)院高鵬教授團(tuán)隊(duì)與合作者利用原位掃描透射電子顯微技術(shù)（In situ scanning transmission electron microscopy, STEM）實(shí)現(xiàn)了對極性斯格明子在外電場下動力學(xué)演化與拓?fù)湎嘧冃袨榈挠^測，結(jié)合相場模擬揭示了極性斯格明子在電場激勵下的相變機(jī)制與相互作用，為其在下一代納米電子器件中的潛在應(yīng)用提供了指導(dǎo)信息。相關(guān)研究成果以“Dynamics of Polar Skyrmion Bubbles under Electric Fields”為題，發(fā)表于《Physical Review Letters》上。北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心朱銳雪、浙江大學(xué)航空航天學(xué)院蔣哲鑫、北京大學(xué)與天津工業(yè)大學(xué)聯(lián)合指導(dǎo)研究生張欣欣、湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鐘向麗教授為論文共同一作者；湖南科技大學(xué)譚叢兵副教授、北京大學(xué)高鵬教授、浙江大學(xué)王杰教授、中國科學(xué)院物理研究所白雪冬研究員為論文共同通訊作者。

原位鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.107601

 研究人員利用原位掃描透射電子顯微技術(shù)觀察了電場驅(qū)動下極性斯格明子的演化過程，他們發(fā)現(xiàn)斯格明子條在電場作用下會收縮斷裂形成斯格明子泡，隨著電場強(qiáng)度的增大，極性斯格明子泡會收縮、湮沒形成一個普通鐵電單疇。與之相反的是，在反向電場作用下，它們會膨脹、融合后合并形成一個單疇。在一個電場周期下極性斯格明子泡、斯格明子條、鐵電單疇的演化行為具有可逆性，因此他們認(rèn)為電場可以用來在室溫下調(diào)控極性斯格明子，基于極性斯格明子的納米器件是可以設(shè)計(jì)的。

      該研究工作在納米尺度上實(shí)現(xiàn)了對外電場驅(qū)動下極性斯格明子動力學(xué)演化行為的原位觀測，證明了利用合適的電場可實(shí)現(xiàn)極性斯格明子的生成，擦除以及形狀調(diào)控，展示了實(shí)空間中拓?fù)鋯误w的可逆轉(zhuǎn)換相互作用以及晶格缺陷的作用，為極性斯格明子的調(diào)控和未來的納米電子器件應(yīng)用提供了重要信息。

圖2 本項(xiàng)研究中利用澤攸科技（ZepTools）的PicoFemto?系列原位TEM-STM樣品桿搭建了原位測試環(huán)境。

圖3 本文中使用的原位樣品桿