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研究背景

在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)飛速發(fā)展的時代背景下，全球?qū)Ω咝阅苡嬎阌布男枨笕找嫫惹?，研發(fā)速度更快、尺寸更小、能耗更低的下一代信息存儲與處理技術(shù)已成為關(guān)鍵的國家級戰(zhàn)略需求。然而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲器件正逼近其物理極限，在提升存儲密度、降低能耗和加快讀寫速度方面遭遇了難以逾越的瓶頸。這催生了對顛覆性新材料和新原理器件的探索，以期突破現(xiàn)有計算架構(gòu)的限制，為未來高性能計算和高能效電子設(shè)備提供核心支持。

在此戰(zhàn)略背景下，氧化物異質(zhì)結(jié)中的“極性渦旋”等新型拓撲量子態(tài)，因其納米級的尺寸、獨特的極化排列以及理論上可達到的超高存儲密度和超快響應(yīng)速度，為構(gòu)建下一代非易失性存儲器和邏輯器件提供了極具潛力的技術(shù)路徑。但其實際應(yīng)用面臨著重大的技術(shù)挑戰(zhàn)：其核心瓶頸在于如何對這些微觀的渦旋結(jié)構(gòu)進行精確、可靠的按需操控。由于材料晶格和缺陷會產(chǎn)生強大的“釘扎效應(yīng)”，這些極性渦旋的運動受到嚴重阻礙，難以實現(xiàn)穩(wěn)定、可重復(fù)的移動、擦除或?qū)懭?。因此如何利用電場等外部手段有效克服這一內(nèi)在物理限制，實現(xiàn)對極性渦旋位置和形態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控，并保證其調(diào)控后狀態(tài)的長期穩(wěn)定性，是該前沿領(lǐng)域有待攻克的核心科學(xué)技術(shù)難題。

實現(xiàn)可控驅(qū)動：首次駕馭極性渦旋的定向運動

研究團隊首先解決了該領(lǐng)域最核心的挑戰(zhàn)：如何讓原本被晶格“釘扎”住的極性渦旋動起來。他們創(chuàng)新性地在PbTiO?/SrTiO?異質(zhì)結(jié)薄膜上，利用導(dǎo)電原子力顯微鏡的針尖施加一個“拖尾偏置電場”。實驗結(jié)果表明，當(dāng)施加一個+5V的正向電壓并沿特定路徑掃描時，原本靜態(tài)的渦旋疇界會隨之向右側(cè)發(fā)生顯著的、可累積的位移，最大移動距離超過1100納米。這一發(fā)現(xiàn)首次證明了通過外部電場，可以像“推土機”一樣精準(zhǔn)、長程地驅(qū)動極性渦旋，實現(xiàn)了從無序到有序的定向操控。

圖 在DyScO? (001)?c襯底上生長的STO/PTO/STO三層膜和PTO/STO超晶格中極性渦旋的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定化

圖 在STO/PTO/STO三層膜中操控極性渦旋運動

驗證可逆調(diào)控：原位電鏡揭示渦旋核的動態(tài)重排

為了驗證這種操控的雙向可逆性，并直接觀察其微觀物理過程，團隊接著施加了-5V的反向電場。結(jié)果渦旋疇界果然向左側(cè)發(fā)生了回退，基本恢復(fù)到初始位置，這證明了其運動方向可由電場極性精確控制。為了從根本上揭示這一過程的物理圖像，研究人員利用了澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)，在透射電子顯微鏡內(nèi)對渦旋進行實時的電場操控與成像。通過這一尖端設(shè)備，他們得以在原子尺度上“直播”渦旋的動態(tài)行為：在外加電場下，原本呈“之”字形排列的單個渦旋核心開始重新排列，逐漸拉直成一條線，從而在微觀層面證實了宏觀疇界移動的物理本質(zhì)是渦旋核心的集體協(xié)同重排。

圖 在(PTO??/STO??)??超晶格中操控渦旋運動

圖 渦旋運動操控的穩(wěn)定性

確認長時穩(wěn)定：驗證新型存儲器件的“記憶”能力

對于任何存儲技術(shù)而言，寫入的新狀態(tài)必須能夠長期穩(wěn)定存在。為驗證這種經(jīng)電場操控后的新渦旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，團隊進行了“時間考驗”。在通過電場將渦旋疇界移動到新位置后，他們撤去電場，并在2天、8天、30天乃至120天后對同一區(qū)域進行反復(fù)成像。結(jié)果顯示，被移動后的疇界位置幾乎沒有任何變化，展現(xiàn)出極強的“非易失性”或“記憶”特性。同樣，利用澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)進行的實驗也進一步佐證了這一點：在電鏡下移動渦旋后，即使經(jīng)過長達20天的持續(xù)觀察，新的渦旋排列結(jié)構(gòu)依然保持穩(wěn)定。這些結(jié)果有力地證明了被“駕馭”的極性渦旋具有作為高可靠性、高密度非易失性存儲器基本單元的巨大潛力。

圖 超晶格中脈沖電場作用下的隨機動力學(xué)行為與渦旋環(huán)形成

澤攸科技作為中國本土的高端精密儀器公司，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。下圖為該研究成果中用到的澤攸科技原位TEM產(chǎn)品：

FEI雙傾探針桿