近日，松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心马秀良团队在铁电材料拓扑态研究领域进一步取得重要进展，在自组装、高密度BiFeO₃纳米结构中观测到多阶极性径向涡旋，并成功通过尺寸调控和外部电场实现不同拓扑态的转换和拓扑电荷控制，这一发现为下一代高密度、多态非易失性存储器件的设计提供了全新思路。2025年3月21日，相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。

拓扑态因其独特的物理性质和在信息存储、传输中的潜力，近年来成为凝聚态物理和材料科学的研究热点。在铁电材料中，具有可调拓扑电荷的纳米级拓扑结构被视为实现高密度、多态存储的关键。然而，此前研究多集中于低阶拓扑态，高阶结构的稳定与调控仍面临挑战。

研究团队通过前期薄膜体系设计、后期精密调控边界条件及生长工艺，在BiFeO₃薄膜中成功诱导出多阶极性径向涡旋。基于高密度、自组装纳米结构的薄膜构型，研究人员直接观测到具有独特极化分布组态的二阶径向涡旋，其表现为具有“甜甜圈”状面外分量和四象限式面内分量的极化组态，实现了净拓扑电荷Q = 0 （图1）。通过改变BiFeO₃纳米结构尺寸，进一步稳定了从一阶到三阶的多阶铁电径向涡旋，并实现了拓扑电荷的多态调控（图2，图3）。利用压电力显微镜针尖施加的局部电场，实现了不同拓扑态的动态切换和拓扑电荷的连续变化（图4）。该研究结果为下一步构筑复杂极性拓扑组态，丰富铁电拓扑构型，进而设计新型多态铁电存储提供了新的可能性。

松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心耿皖荣副研究员为该论文的第一作者，浙江大学博士后郭相伟为共同第一作者。浙江大学材料科学与工程学院的洪子健研究员、松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心/中国科学院物理研究所马秀良研究员为该论文的共同通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、中国博士后科学基金、广东省量子科学战略计划、松山湖科学城显微科学与技术开放课题等多个项目的共同资助和支持。

图1 二阶径向涡旋的结构确定

图2 尺寸调控的多阶径向极性涡旋的稳定

图3 相场模拟验证尺寸调控的拓扑态变化

图4 外加电场诱导的不同拓扑态之间的转变

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58008-w

撰稿：大湾区显微科学与技术研究中心