隨著數(shù)據(jù)存儲需求爆炸式增長，傳統(tǒng)存儲技術面臨密度與穩(wěn)定性雙重瓶頸。斯格明子作為新型拓撲結構雖展現(xiàn)出賽道存儲器應用前景，但單個斯格明子編碼單一比特的模式極易因間距變化導致數(shù)據(jù)丟失，而鐵電體系中構建穩(wěn)定極性斯格明子袋面臨本質挑戰(zhàn)——不同于磁性材料可通過Dzyaloshinskii-Moriya相互作用穩(wěn)定拓撲結構，鐵電系統(tǒng)缺乏等效機制，室溫下操控多層級極性拓撲態(tài)尤為困難。

戰(zhàn)略上需突破電場可編程的高階拓撲結構精準構筑技術，開發(fā)拓撲電荷與電學讀出直接映射的新范式，以實現(xiàn)單單元多位存儲與超低能耗數(shù)據(jù)處理。極性斯格明子袋的研究不僅關乎存儲密度的數(shù)量級提升，更為后摩爾時代低損耗、抗干擾納米電子學提供全新架構，對突破"內(nèi)存墻"限制、構建存算一體系統(tǒng)具有不可替代的戰(zhàn)略價值。

針對上述問題，由浙江大學、印度科學研究所等組成的團隊利用澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)進行了系統(tǒng)研究，核心創(chuàng)新在于首次在鐵電/介電氧化物超晶格中實現(xiàn)了室溫極性斯格明子包的創(chuàng)建、演化與擦除，并通過電場調(diào)控了其內(nèi)部拓撲電荷，為下一代高密度、多態(tài)存儲器件提供了新的拓撲結構基礎。

標題：Harness of room-temperature polar skyrmion bag in oxide superlattice

期刊：Nature Communications

網(wǎng)址：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64858-1

室溫極性斯格明子體系

本研究以 PbTiO?/SrTiO?（PTO/STO）氧化物超晶格為模型體系，首先解決的是一個基礎問題：在室溫條件下，是否能夠穩(wěn)定獲得具有明確拓撲特征的極性結構。研究團隊通過 RHEED 輔助脈沖激光沉積技術制備了高質量外延超晶格薄膜，并利用 X 射線衍射與倒空間映射確認了其良好的周期性與外延質量。在此基礎上，結合 HAADF-STEM、壓電力顯微鏡（PFM）以及導電原子力顯微鏡（cAFM）表征，研究人員在室溫下清晰觀測到了具有渦旋極化特征的極性斯格明子氣泡。這些斯格明子不僅在結構上穩(wěn)定存在，還在電學測量中表現(xiàn)出增強的局域導電特性，為后續(xù)通過外加電場操控更高階拓撲結構提供了可靠的物理基礎。

圖1. PTO/STO超晶格中極性斯格明子的結構與觀測

電場誘導：如何從斯格明子演化為斯格明子包

在確認極性斯格明子穩(wěn)定存在之后，研究的核心問題轉向：是否能夠在鐵電體系中，通過電場手段構建更高階的拓撲結構——極性斯格明子包。實驗與相場模擬共同表明，當通過 PFM 或 cAFM 探針在樣品表面施加局域電場脈沖時，原有的極性斯格明子會在電場作用下發(fā)生擴張、畸變并相互連接。

隨著電場作用的持續(xù)，相鄰斯格明子逐漸形成一個封閉的環(huán)狀邊界，該邊界將內(nèi)部區(qū)域與外部斯格明子分隔開來；當外加電場移除后，該結構發(fā)生弛豫并穩(wěn)定下來，最終形成一種由外層“包裹壁”與內(nèi)部多個極性相反斯格明子組成的極性斯格明子包結構。相場模擬清晰揭示了這一從單一斯格明子態(tài)向“包狀”拓撲結構轉變的動力學過程，并與實驗觀察高度一致。

圖2. 在帶電尖端施加電勢下，斯格明子形成極性斯格明子包的過程

原位 STEM 驗證：斯格明子包是否真實存在

為了在更高空間分辨率下直接驗證斯格明子包的形成，研究團隊進一步開展了原位 STEM 實驗。在該實驗中，研究人員使用了澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)，在透射電子顯微鏡環(huán)境下，于鎢探針與樣品頂部 Au 導電層之間施加垂直電學偏置。在施加電偏置后，原位 STEM 成像清晰顯示出具有明確邊界的斯格明子包結構，其內(nèi)部包含多個極性斯格明子，形貌與相場模擬預測結果一致，該原位實驗從結構層面直接驗證了極性斯格明子包的真實存在。

圖3. 擦除和恢復斯格明子包狀態(tài)

可逆操控與多態(tài)拓撲電荷：邁向存儲應用的關鍵一步

在確認斯格明子包可被穩(wěn)定創(chuàng)建之后，研究進一步探討了其可逆性與可調(diào)控性。實驗與模擬結果表明，通過改變外加電壓的符號，可以實現(xiàn)斯格明子包的擦除與重構：反向電壓會破壞外層包裹結構，使體系回到常規(guī)斯格明子態(tài)，而再次施加原始極性的電壓則可重新生成斯格明子包。這一過程具有良好的重復性，顯示出可靠的電場操控特性。

更進一步，研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)施加電壓的幅值，可以連續(xù)改變斯格明子包內(nèi)部所包含的斯格明子數(shù)量，從而實現(xiàn)對其拓撲電荷的原位調(diào)控。由于斯格明子包的邊界及內(nèi)部區(qū)域均表現(xiàn)出增強的局域導電特性，拓撲電荷可以與可測量的電學信號建立對應關系。這使得單個斯格明子包具備承載多級信息的能力，為未來非易失、多態(tài)、高密度存儲器件提供了清晰的物理實現(xiàn)路徑。

圖4. 斯格明子包的拓撲態(tài)與拓撲電荷隨電勢變化的相圖

澤攸科技作為中國本土的精密儀器公司，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支持。