铁电极化涡旋铸造信息“超高速路” 原文作者：IgorLuk’yanchuk&Vale

原文作者：Igor Luk’yanchuk & Valerii M. Vinokur
在一种被称为铁电体（ferroelectric）的材料中，人们观察到电极化涡旋（Vortices of electrical polarization）以极高的频率振动。这种振动可以通过电场直接控制，从而实现数据的超快处理。
古希腊哲学家德谟克里特（Democritus）认为，物质的涡旋和原子是构成宇宙的基本要素。如今，从宏观的涡旋星系到水中的涡流，再到微观的超导体和量子流体等各个尺度，都能观察到涡旋现象。并且，人们发现涡旋的存在会极大地影响诸如超导体、铁磁体（ferromagnets ，表现出铁磁性的材料）和铁电体（铁磁体的电学孪生物质）等许多材料的特性。在《自然》发表的一篇文章中，李千等人[1]报道了铁电极化涡旋能够以太赫兹量级的频率振动（1太赫兹等于1012赫兹）。这种涡旋的集体动力学有望为电场驱动的超快数据处理提供平台。
【铁电极化涡旋铸造信息“超高速路”】铁电体具有固有的电极化，这是由带正、负电荷的离子在相反方向上的微小相对位移引起的。在纳米尺度的铁电体中，这些离子不仅与外加电场相互作用，而且由于在材料表面出现的电荷产生大量的内部电场，离子通过这些内部电场产生的自相互作用而生成大量的极化模式——例如涡旋和被称为斯格明子（Skyrmions）和霍普夫子（Hopfions）的复杂结构。在此之前，人们对这些极化模式的动力学行为仍停留在推测阶段[2-5] ，还没有在实验上证实。
为了解决这一问题，李千和同事们采用了一种名为铁电超晶格的结构，这种结构由铁电体和绝缘体薄膜交替堆叠而成。自固体物理学兴起以来[6,7] ，人们就知道磁性薄膜中具有周期性反方向交替的磁化畴。但直到最近几十年，人们才认识到类似的极化畴也出现在铁电体中。与孤立铁电体相比，铁电超晶格中的极化模式更为精细，并且在畴之间逐渐变化[8] 。此外，实验证明，这种模式会演化成一个周期性的涡旋和反涡旋（旋转方向相反的涡旋）系统[9] 。
作者利用太赫兹超短脉冲在超晶格铁电薄膜中产生涡旋运动。然后他们采用一种被称为超快X射线衍射的技术来探测周期性涡旋-反涡旋结构的动力学行为。这些最先进的实验方法使得李千等人能够在皮秒（1皮秒为10–12秒）时间尺度上直接诱导和分析极化涡旋的集体运动。他们在0.08太赫兹处探测到一个单一的振动模式，并在0.3–0.4太赫兹处探测到一组这样的振动模式。
从动力学上讲，涡旋-反涡旋系统（图1a）类似于弹簧连接而成的线型球链。其中的弹力是通过维持涡旋周期性的离子之间的静电作用来实现的。该系统可以产生两种类型的集体振动：上下（横向）运动（图1b）和左右（纵向）运动（图1c）。

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图1 | 铁电薄膜中的极化涡旋。a ，铁电薄膜材料包含多个畴，畴之间由称为畴壁的边界隔开。相邻畴的薄膜表面带有相反的电荷（用正负符号表示）。在平衡状态下，这些正负电荷的大小相等。电极化的模式（用浅色箭头所示）为一个涡旋和反涡旋（旋转方向相反的涡旋）的周期性系统。李千等人[1]研究了该系统的动力学行为，并用弹簧连接的球链系统作类比。b ，涡旋-反涡旋系统可以产生横向振动（用黑色箭头表示）。此时畴壁不动，表面电荷的大小保持均衡。c ，该系统也会发生纵向振动（用黑色箭头表示）。此时畴壁的联动会导致薄膜表面的正负电荷大小发生变化。