隨著數(shù)據(jù)存儲需求爆炸式增長，傳統(tǒng)存儲技術(shù)面臨密度與穩(wěn)定性雙重瓶頸。斯格明子作為新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖展現(xiàn)出賽道存儲器應(yīng)用前景，但單個斯格明子編碼單一比特的模式極易因間距變化導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，而鐵電體系中構(gòu)建穩(wěn)定極性斯格明子袋面臨本質(zhì)挑戰(zhàn)——不同于磁性材料可通過Dzyaloshinskii-Moriya相互作用穩(wěn)定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，鐵電系統(tǒng)缺乏等效機(jī)制，室溫下操控多層級極性拓?fù)鋺B(tài)尤為困難。

戰(zhàn)略上需突破電場可編程的高階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)精準(zhǔn)構(gòu)筑技術(shù)，開發(fā)拓?fù)潆姾膳c電學(xué)讀出直接映射的新范式，以實(shí)現(xiàn)單單元多位存儲與超低能耗數(shù)據(jù)處理。極性斯格明子袋的研究不僅關(guān)乎存儲密度的數(shù)量級提升，更為后摩爾時代低損耗、抗干擾納米電子學(xué)提供全新架構(gòu)，對突破"內(nèi)存墻"限制、構(gòu)建存算一體系統(tǒng)具有不可替代的戰(zhàn)略價值。

針對上述問題，由浙江大學(xué)、印度科學(xué)研究所等組成的團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，核心創(chuàng)新在于首次在鐵電/介電氧化物超晶格中實(shí)現(xiàn)了室溫極性斯格明子包的創(chuàng)建、演化與擦除，并通過電場調(diào)控了其內(nèi)部拓?fù)潆姾?，為下一代高密度、多態(tài)存儲器件提供了新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

標(biāo)題：Harness of room-temperature polar skyrmion bag in oxide superlattice

期刊：Nature Communications

網(wǎng)址：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64858-1

室溫極性斯格明子體系

本研究以 PbTiO?/SrTiO?（PTO/STO）氧化物超晶格為模型體系，首先解決的是一個基礎(chǔ)問題：在室溫條件下，是否能夠穩(wěn)定獲得具有明確拓?fù)涮卣鞯臉O性結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)通過 RHEED 輔助脈沖激光沉積技術(shù)制備了高質(zhì)量外延超晶格薄膜，并利用 X 射線衍射與倒空間映射確認(rèn)了其良好的周期性與外延質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合 HAADF-STEM、壓電力顯微鏡（PFM）以及導(dǎo)電原子力顯微鏡（cAFM）表征，研究人員在室溫下清晰觀測到了具有渦旋極化特征的極性斯格明子氣泡。這些斯格明子不僅在結(jié)構(gòu)上穩(wěn)定存在，還在電學(xué)測量中表現(xiàn)出增強(qiáng)的局域?qū)щ娞匦?，為后續(xù)通過外加電場操控更高階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了可靠的物理基礎(chǔ)。

圖1. PTO/STO超晶格中極性斯格明子的結(jié)構(gòu)與觀測

電場誘導(dǎo)：如何從斯格明子演化為斯格明子包

在確認(rèn)極性斯格明子穩(wěn)定存在之后，研究的核心問題轉(zhuǎn)向：是否能夠在鐵電體系中，通過電場手段構(gòu)建更高階的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——極性斯格明子包。實(shí)驗(yàn)與相場模擬共同表明，當(dāng)通過 PFM 或 cAFM 探針在樣品表面施加局域電場脈沖時，原有的極性斯格明子會在電場作用下發(fā)生擴(kuò)張、畸變并相互連接。

隨著電場作用的持續(xù)，相鄰斯格明子逐漸形成一個封閉的環(huán)狀邊界，該邊界將內(nèi)部區(qū)域與外部斯格明子分隔開來；當(dāng)外加電場移除后，該結(jié)構(gòu)發(fā)生弛豫并穩(wěn)定下來，最終形成一種由外層“包裹壁”與內(nèi)部多個極性相反斯格明子組成的極性斯格明子包結(jié)構(gòu)。相場模擬清晰揭示了這一從單一斯格明子態(tài)向“包狀”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的動力學(xué)過程，并與實(shí)驗(yàn)觀察高度一致。

圖2. 在帶電尖端施加電勢下，斯格明子形成極性斯格明子包的過程

原位 STEM 驗(yàn)證：斯格明子包是否真實(shí)存在

為了在更高空間分辨率下直接驗(yàn)證斯格明子包的形成，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展了原位 STEM 實(shí)驗(yàn)。在該實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)，在透射電子顯微鏡環(huán)境下，于鎢探針與樣品頂部 Au 導(dǎo)電層之間施加垂直電學(xué)偏置。在施加電偏置后，原位 STEM 成像清晰顯示出具有明確邊界的斯格明子包結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部包含多個極性斯格明子，形貌與相場模擬預(yù)測結(jié)果一致，該原位實(shí)驗(yàn)從結(jié)構(gòu)層面直接驗(yàn)證了極性斯格明子包的真實(shí)存在。

圖3. 擦除和恢復(fù)斯格明子包狀態(tài)

可逆操控與多態(tài)拓?fù)潆姾桑哼~向存儲應(yīng)用的關(guān)鍵一步

在確認(rèn)斯格明子包可被穩(wěn)定創(chuàng)建之后，研究進(jìn)一步探討了其可逆性與可調(diào)控性。實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果表明，通過改變外加電壓的符號，可以實(shí)現(xiàn)斯格明子包的擦除與重構(gòu)：反向電壓會破壞外層包裹結(jié)構(gòu)，使體系回到常規(guī)斯格明子態(tài)，而再次施加原始極性的電壓則可重新生成斯格明子包。這一過程具有良好的重復(fù)性，顯示出可靠的電場操控特性。

更進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)施加電壓的幅值，可以連續(xù)改變斯格明子包內(nèi)部所包含的斯格明子數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對其拓?fù)潆姾傻脑徽{(diào)控。由于斯格明子包的邊界及內(nèi)部區(qū)域均表現(xiàn)出增強(qiáng)的局域?qū)щ娞匦裕負(fù)潆姾煽梢耘c可測量的電學(xué)信號建立對應(yīng)關(guān)系。這使得單個斯格明子包具備承載多級信息的能力，為未來非易失、多態(tài)、高密度存儲器件提供了清晰的物理實(shí)現(xiàn)路徑。

圖4. 斯格明子包的拓?fù)鋺B(tài)與拓?fù)潆姾呻S電勢變化的相圖

澤攸科技作為中國本土的精密儀器公司，是原位電子顯微鏡表征解決方案的一流供應(yīng)商，推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案，陸續(xù)為國內(nèi)外用戶的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。