研究團(tuán)隊(duì)以PbTiO?/SrTiO?（PTO/STO）氧化物超晶格為模型體系，通過先jin的薄膜制備技術(shù)獲得了高質(zhì)量的外延薄膜。借助高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）、壓電力顯微鏡（PFM）等多種表征手段，他們首先在室溫下觀察到了穩(wěn)定的極性斯格明子。

圖1：PTO/STO超晶格中極性斯格明子的結(jié)構(gòu)與觀測

研究的核心創(chuàng)新在于通過施加局域電場脈沖，驅(qū)使這些單一的斯格明子發(fā)生演化。實(shí)驗(yàn)和相場模擬結(jié)果顯示，在電場作用下，斯格明子擴(kuò)張、連接，最終形成一個由外層“包裹壁"和內(nèi)部多個極性相反的斯格明子構(gòu)成的“包"狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2：在帶電尖duan施加電勢下，斯格明子形成極性斯格明子包的過程

為了在原子尺度上確認(rèn)這一特殊結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)。在透射電鏡內(nèi)直接施加偏壓，原位STEM成像清晰地捕捉到了斯格明子包的完整形貌，直接證實(shí)了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的真實(shí)存在。

圖3：擦除和恢復(fù)斯格明子包狀態(tài)

更令人振奮的是，這種斯格明子包展現(xiàn)出良好的可逆操控性。通過改變電場的極性，可以實(shí)現(xiàn)斯格明子包的“擦除"（回到普通斯格明子態(tài)）和“重構(gòu)"。更重要的是，通過精確調(diào)控電壓大小，可以連續(xù)改變斯格明子包內(nèi)部包含的斯格明子數(shù)量，即調(diào)控其拓?fù)潆姾?。由于邊界和?nèi)部區(qū)域的導(dǎo)電特性差異，這種拓?fù)潆姾傻淖兓梢灾苯油ㄟ^電學(xué)信號讀取。

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

這項(xiàng)研究成功地將高階拓?fù)涓拍钜腓F電材料領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了室溫下極性斯格明子包的電場可控操作。這意味著，一個存儲單元（一個斯格明子包）有望存儲多個比特的信息，從而實(shí)現(xiàn)存儲密度的數(shù)量級提升。同時，拓?fù)浔Ｗo(hù)特性賦予了其優(yōu)異的抗干擾能力和穩(wěn)定性，加之電場操控的低能耗優(yōu)勢，為突破傳統(tǒng)“內(nèi)存墻"限制、發(fā)展存算一體新型架構(gòu)提供了革命性的解決方案。

這項(xiàng)基礎(chǔ)研究的突破，不僅深化了我們對復(fù)雜拓?fù)湮飸B(tài)的理解，更預(yù)示著后摩爾時代低功耗、高密度信息存儲技術(shù)的全新可能。