Advanced Materials:铁性薄膜和异质结拓扑结构的研究进展

拓扑学是数学中的一个重要分支,主要研究拓扑空间在拓扑变换下的不变性质和不变量。近年来,拓扑学与材料物理和性能的关联越来越紧密。拓扑学的概念正在应用于越来越多的学科领域。例如,拓扑的概念已被引入来研究凝聚态物理中的各种奇异态,特别是实空间中与极性/自旋构型相关的拓扑结构以及动量空间中的拓扑输运现象。在众多拥有拓扑结构的材料中,铁性薄膜材料,如铁电、铁磁和多铁材料,由于场致翻转的自发极性/磁有序,在信息存储和传感驱动等领域具有极大应用价值,从而引起了人们的极大兴趣。最近的研究表明,非平凡自旋/极性拓扑结构的出现均伴随着大量新奇的物理特性(如拓扑霍尔效应和负电容等)。当今,与铁电/铁磁相关联的非平凡拓扑结构已为下一代高密度存储器件重要研究方向之一,这为材料科学以及凝聚态物理学的相关研究打开了一扇崭新的大门。

哈尔滨工业大学(深圳)材料学院陈祖煌教授和合作者综述了近十年来铁性薄膜和异质结拓扑结构的研究进展,包括磁性/极性拓扑结构(如畴壁、涡旋态、麦纫、斯格明子等)的观测以及通过外延应变、原子层厚、电场、磁场等控制其结构演变和随之涌现的物理现象。文中首先讨论了磁性金属/氧化物薄膜和异质结中拓扑自旋结构(如:磁性斯格明子)的演化和相关功能特性(如拓扑霍尔效应)。随后,作者总结和评述了铁电氧化物薄膜和异质结中独特的极性拓扑结构(如畴壁, 通量全闭合畴, 极性涡旋畴, 铁电泡畴, 极性斯格明子等)和与其相关的奇异物理特性(如负电容,电导,微波调谐等)。最后,作者对铁性薄膜和异质结的拓扑结构的发展前景提出了建设性的观点和展望,以促进该领域的快速发展。

文中作者总结了近十年来铁性薄膜和异质结中拓扑结构的研究进展,强调了纳米尺度自旋/极性拓扑结构在新技术应用的重要性,如高密度、低功耗、高速存储器和逻辑器件。尽管这些拓扑结构已经得到了广泛的研究并取得了一系列创新性的研究成果。然而,对铁性薄膜和异质的拓扑结构研究还处于起步阶段,存在许多有待解决的问题,如:铁电涡旋畴和斯格明子的多场调控,氧化物薄膜和异质结中磁性斯格明子的确切证据,是否存在周期有序的极性拓扑结构(如极性斯格明子晶格)和新的极性拓扑结构(如铁电麦纫、反斯格明子和霍普夫子),如何在纳米尺度上读、写自旋/极性拓扑结构的手性以及拓扑结构在其他材料体系(如多铁Cu2OSeO3和BiFeO3等)和其他对称性体系(如不对称超晶格体系)的拓展问题。相关工作近期以“Recent Progress on Topological Structures in Ferroic Thin Films and Heterostructures”为题在线发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202000857)上,并入选Wiley-VCH Hot Topic: Magnetic Materials。