一个20年的谜题解开了：研究人员揭示了零维铁电体的“三维涡旋”

能够在没有外部磁场的情况下自行保持磁化状态的材料（即永磁体）称为铁磁体。铁电体可以被认为是铁磁体的电对应物，因为它们在没有外部电场的情况下保持极化状态

众所周知，当铁磁体缩小到低于特定阈值的纳米尺寸时，就会失去其磁性。长期以来，当铁电体在所有方向上都被类似地制成极小（即，变成零维结构，如纳米颗粒）时，会发生什么一直是一个有争议的话题

由KAIST物理系的Yongsoo Yang博士领导的研究团队通过与POSTECH、SNU、KBSI、LBNL和阿肯色大学的国际合作研究，首次通过实验阐明了铁电纳米颗粒内部的三维涡旋状极化分布

这项研究在线发表在《自然通讯》的一篇题为“揭示纳米颗粒中极性拓扑的三维排列”的论文中。

大约20年前，Laurent Bellaiche教授（现就职于阿肯色大学）和他的同事从理论上预测，铁电纳米点内部可能会出现一种独特的极化分布形式，呈环形涡旋状排列。他们还建议，如果这种涡流分布能够得到适当控制，它可以应用于容量比现有存储设备大10000倍以上的超高密度存储设备

然而，由于难以测量铁电纳米结构内的三维极化分布，未能实现实验澄清。现在，KAIST的研究团队通过实施一种名为原子电子断层扫描的技术，成功地解决了这一20年来的挑战

这项技术的工作原理是从多个倾斜角度获取纳米材料的原子分辨率透射电子显微镜图像，然后使用先进的重建算法将其重建回三维结构

电子断层扫描可以被理解为与医院的CT扫描基本上相同的方法，用于三维观察内脏；KAIST团队利用单原子水平的电子显微镜，将其独特地应用于纳米材料

使用原子电子断层扫描，该团队在三维中完全测量了钛酸钡（BaTiO3）纳米颗粒（一种众所周知的铁电材料）内阳离子原子的位置。根据精确确定的三维原子排列，他们能够进一步计算单原子水平上的内部三维偏振分布

对极化分布的分析首次通过实验揭示了拓扑极化有序性，包括涡旋、反涡旋、skyrmions和Bloch点，如20年前理论预测的那样，出现在零维铁电体内部。此外，还发现内部涡流的数量可以根据其大小进行控制

Sergey Prosandeev教授和Bellaiche教授（20年前与其他同事一起从理论上提出了极涡排序）加入了这一合作，并进一步证明了实验获得的旋涡分布结果与理论计算一致

通过控制这些偏振分布的数量和方向，预计这可以用于下一代高密度存储设备，与现有设备相比，该设备可以在相同大小的设备中存储超过10000倍的信息量

领导这项研究的杨博士解释了这一结果的重要性，“这一结果表明，在不需要调整衬底或外延应变等周围环境影响的情况下，仅控制铁电体的尺寸和形状，就可以在纳米尺度上操纵铁电涡旋或其他拓扑秩序。然后，进一步的研究可以应用于下一代超高密度存储器的开发。”