最近在纳米膜中实现的铁电拓扑结构能够实现光场操纵

铁电体是一类表现出所谓自发极化的材料，自发极化是指当外部电场施加到它们上时，电荷可以反向分离。这些材料中的偶极矩（即，相等和相反的电荷对）有时可以排列成复杂的配置，称为拓扑纹理。

一些铁电材料的拓扑结构可以以有趣和意想不到的方式与光相互作用，这可能对光学技术和通信系统的发展产生有趣的影响。然而，迄今为止公布和研究的铁电极性拓扑的尺寸与激光模式的尺寸并不一致，这限制了它们以前在光学技术发展中的应用。

南京大学的研究人员最近利用钛酸钡（BaTiO3）膜实现了微米级中心收敛铁电拓扑结构，能够精确控制光场的空间。

发表在《自然纳米技术》上的一篇论文中概述了这种拓扑结构，它可能为利用氧化物基铁电体的拓扑结构操纵光场开辟新的可能性。

“这项工作始于我们团队在研究独立氧化物膜中的铁电极化结构时的一个意外发现，如硅上的拓扑极性纳米畴，目标是高密度存储，”该论文的共同高级作者聂岳峰教授告诉Phys.org。

“该论文的第一作者孙浩英博士在BaTiO3膜中发现了微米级极性拓扑结构。通过详细的分析和优化设计，我们实现了这些微米级结构的可控制造。”

“当聂教授第一次向我展示他的团队的实验数据时，我对它的含义特别感兴趣，”该论文的共同资深作者张教授说。“我们的研究小组长期以来一直致力于探索涡旋光场的产生和操纵。这种空间分布的极性拓扑结构为这种光子工程提供了一个理想的材料平台。”

作为他们研究的一部分，研究人员表明，他们揭示的圆顶形结构可以在工程铁电体极化的同时作为瞬态中间态。为了实现中心收敛圆顶形拓扑，他们首先制备了具有不同应变状态的薄平面双层BaTiO3薄膜。

“从基底释放后，独立双层薄膜中的应变弛豫驱动自发的2D（平面）到3D（圆顶形）结构转变，”该论文的共同第一作者孙博士解释道。“在此过程中，通过各向异性晶格畸变产生的径向柔性电场诱导对称性破坏极化有序，最终通过几何约束稳定非平凡的二维极性纹理。”

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聂教授、孙博士、张教授及其同事采用的制造策略可用于创建使用传统平面外延方法无法获得的偏振态。这些状态是利用氧化物基铁电体的应变和拓扑结构之间的相互作用产生的。聂说：“我们的创新体现在两个关键方面。”。“首先，我们开发了一种新的极性拓扑结构工程路线。与通过外延应变、厚度或掺杂操纵平面薄膜的传统方法不同，我们引入了一种利用中间三维变形构建新偏振拓扑结构的创新技术。”

这项最新研究的第二个成就是，研究人员确定的微尺度拓扑结构也被设计为与激光的波长和尺寸相匹配。在他们的实验中，该团队成功地使用中心会聚拓扑来调制光场的轨道角动量。“涡旋光场携带轨道角动量，使光存储和通信系统中的高容量信息编码成为可能，”张教授说。“在这种新材料系统中实现涡旋光场操纵为片上集成和光电转换提供了新的方法。”

该研究小组最近的论文可能很快为发现其他可用于操纵光的铁电拓扑铺平道路，这可能为光学和光子技术的进步开辟新的途径。在他们的下一项研究中，聂教授和他的同事们将试图利用相同的拓扑结构来提高光场的调制率和效率，因为这可以进一步拓宽他们的工作的实际应用。“在我们的下一项研究中，我们还将把这种创新的材料制备方法应用于更多的系统，以实现更广泛的偏振配置，并探索电、磁和光学特性的操纵，”聂教授补充道。p