铁电极化涡旋、极化斯格明子等铁电拓扑结构在铁电–介电超晶格（如 (PbTiO₃)ₙ/(SrTiO₃)ₙ，PTO/STO）中的出现，是当代凝聚态物理与材料科学的重要里程碑。极化涡旋以涡旋核心周围连续极化旋转为特征，其纳米级尺寸与超高理论存储密度使其成为下一代高密度、低能耗纳米电子器件的理想候选，并有望以能量高效的方式处理亚太赫兹（sub-THz）高频信号。若能对这些拓扑结构实现受控操纵，将有望彻底变革信息存储与计算技术，并为物联网、人工智能与大语言模型等领域的快速发展提供有力支撑。

不过受限于铁电材料中相应相互作用机制的缺失以及极化涡旋与晶格的强耦合，在电场作用下实时观察并受控驱动极化涡旋运动至今仍未实现。涡旋运动涉及与晶格畸变、缺陷及外场之间的复杂相互作用，使其对周围环境高度敏感并被强烈钉扎，精确控制与操纵极为困难，这严重阻碍了其实用化进程。尽管已有研究证明位错等结构缺陷可在外加电场驱动下发生往返移动，但能否借助电场触发极化涡旋这类拓扑缺陷的确定性受控运动，仍是该领域的核心挑战，也是实现可重构氧化物纳米电子学的前提。

针对上述问题，由浙江大学、海南大学、印度科学研究所和加州大学伯克利分校等组成的联合团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了深入研究，该团队通过导电原子力显微镜针尖施加方向可控的局域尾随电场，首次在 PbTiO₃/SrTiO₃氧化物异质结中实现了极化涡旋边界的确定性、可逆且可重构的受控运动，并借助原位透射电镜与相场模拟共同证实了其由涡旋核心之字形构型开关驱动的拓扑保护运动机制。

标题：Controlled motion of polar vortex boundary in oxide heterostructures

期刊：Nature Communications

本项研究首先聚焦于高质量PTO/STO异质结的构筑与纯涡旋相的稳定化。研究团队在DyScO₃(001)ₚc单晶衬底上生长5nm SrRuO₃缓冲层，并通过反射高能电子衍射辅助的脉冲激光沉积法精确制备了20 uc STO/20 uc PTO/20 uc STO三层结构。X射线衍射与倒空间映射确认了薄膜的结晶质量以及面内周期约~14nm的规整涡旋排布，原子力显微镜则证实了逐层生长模式与平滑表面形貌。压电力显微镜及开关谱PFM测量在50×50的密集网格上清晰揭示了纯涡旋相及其开关行为的空间分布，结果发现涡旋边界处的正成核偏压V_C⁺与平均矫顽偏压V_C均显著低于涡旋本体，表明这些区域对尾随电场更为敏感，为利用低电场驱动涡旋边界运动提供了关键物理依据。

图1 生长于 DyScO₃ (001) pc 衬底上的 STO/PTO/STO 三层结构中极化涡旋的结构与稳定化

在上述基础上，研究聚焦于如何在电场驱动下实现涡旋边界的确定性运动。团队利用导电原子力显微镜针尖沿预定路径施加局域尾随电场，以+5 V正尾随电场(50nm/s)沿特定路径扫描后，原始涡旋边界即从左向右移动，连续施加PD1–PD7后累计位移达~1170nm；切换为−5 V负尾随电场(ND1–ND6)后，涡旋边界反向移动~928–1400nm并逐步恢复至初始位置，同时仅改变针尖运动方向而保持极性不变亦可实现边界的可逆往复运动。为在原子尺度实时验证这一受控过程，研究团队借助泽攸科技透射电镜原位探针样品杆开展了实验，通过钨针尖对电极施加+17 V电场，实时观察到涡旋核心由之字形排列重构为近扁平构型并形成清晰边界，撤去电场后涡旋拓扑态仍保持稳定，后续再次施加电场可使边界进一步右移，其结果与PFM观测高度一致，有力证实了涡旋边界运动具备拓扑保护的本质。

图2 STO/PTO/STO 三层结构中涡旋边界的确定性运动

研究随后深入揭示了涡旋边界受控运动的微观物理机制。基于时间依赖Ginzburg–Landau方程的相场模拟表明，该运动由涡旋核心处之字形图案的开关所主导，总能量剖面在边界位移过程中出现显著峰值，对应于施加电场下涡旋构型被畸变的瞬态，弛豫后能量降至新的局部极小值。梯度能(含Dzyaloshinskii–Moriya类相互作用)在施加电场时因涡旋旋转被部分抑制而下降，撤场后随涡旋重构而急剧回升，能量峰值则源于局域极化与外场间的瞬态反平行排列。反转电场极性可驱动边界返回原位置，实现可逆运动，模拟中连续偏置下的边界位移与原位实验观测相一致，从能量角度完整阐明了尾随电场驱动涡旋边界可逆运动的物理根源。

图3 三层结构中涡旋边界运动的方向性控制

研究最终落脚于涡旋边界运动的时间稳定性及其器件应用潜力。团队在新区域复现实验后，对已移动的涡旋边界开展了长达120天的逐时演化监测，结果显示在2天、8天、30天及120天后，移动后的涡旋边界均未出现可测量的弛豫，位移状态得到长期保留，这归因于涡旋结构固有的拓扑保护抑制了自发反转，与传统铁电畴易于弛豫回初始构型的行为形成鲜明对比。研究同时发现，局域电场的施加不仅能驱动目标位点的涡旋转变，还可诱发跨越数百纳米的远距离非局域修改，反映出序参量动力学固有的集体性与非局域本质，为铁电赛道存储器、可重构逻辑器件及超小型可调电容与晶体管等下一代低能耗高密度纳米电子器件的开发奠定了坚实基础。

图4 涡旋边界运动的稳定性

泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM样品杆产品：

FEI兼容原位探针杆