2015年，金屬所馬秀良研究員、朱銀蓮研究員和唐云龍博士等通過(guò)PbTiO3/SrTiO3鐵電多層膜的設(shè)計(jì)實(shí)施應(yīng)變調(diào)控，發(fā)現(xiàn)鐵電材料中的通量全閉合疇結(jié)構(gòu)并成功制備出由順時(shí)針和逆時(shí)針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列(Science 2015)。該項(xiàng)工作發(fā)表后迅速激發(fā)了國(guó)際上關(guān)于新型鐵電極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及性能研究的熱潮。在上述工作的基礎(chǔ)上，2016年加州大學(xué)伯克利分校及勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制備并利用同樣的電子顯微學(xué)方法，在相同成分、不同應(yīng)變條件下的PbTiO3/SrTiO3超晶格體系中發(fā)現(xiàn)了鐵電渦旋疇陣列(Nature 2016)。目前，其它可能的新型電極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其潛在誘導(dǎo)新性能已成為低維氧化物功能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)際上許多相關(guān)的課題組正在對(duì)其展開(kāi)全方位探索研究。

唐云龍博士在2017年2月至2019年4月訪問(wèn)伯克利期間，作為主要實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者和完成人員之一，在前述工作基礎(chǔ)上，與加州大學(xué)伯克利分校的R. Ramesh教授課題組、加州大學(xué)伯克利分校L. Martin教授、賓州州立大學(xué)陳龍慶教授以及西班牙坎塔布里亞大學(xué)J. Junquera教授等課題組深入合作，在鐵電材料極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究中再度取得重大突破：他們?cè)赑bTiO3/SrTiO3超晶格中發(fā)現(xiàn)了室溫穩(wěn)定存在的電極化斯格明子晶格（圖1-3）。2019年4月17日，相關(guān)結(jié)果以“Observation of room-temperature polar skyrmions”為題，在Nature雜志在線發(fā)表。

自2009年開(kāi)始，磁性斯格明子晶格的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)掀起了相關(guān)的動(dòng)力學(xué)及理論物理研究熱潮，以探索其作為新型自旋電子器件的潛力。如果能在鐵電極化體系中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的斯格明子晶格，這無(wú)疑將會(huì)是鐵電極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究方面的又一重大突破。在深入探究PbTiO3/SrTiO3體系中各種能量競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系基礎(chǔ)上，唐云龍等人利用SrTiO3(001)襯底成功制備出系列PbTiO3/SrTiO3超晶格體系。利用像差校正透射電子顯微學(xué)定量分析方法和同步輻射衍射，在[(SrTiO3)16/(PbTiO3)16]8等體系中觀測(cè)到完整的斯格明子晶格，它們由尺度約為8納米的單個(gè)斯格明子在PbTiO3層中大規(guī)模凝聚而形成，在面內(nèi)有形成四方格子的傾向；在界面附近具有Néel 型分散或匯聚的極化分量。第二原理等理論計(jì)算測(cè)得其skyrmion number恒為+1。

該項(xiàng)工作首次在實(shí)空間揭示了電極化體系中的斯格明子晶格。相比于鐵磁體系，該種極化斯格明子晶格能夠在室溫穩(wěn)定存在，且無(wú)需外場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生，相對(duì)更容易實(shí)現(xiàn)后續(xù)動(dòng)力學(xué)行為研究和調(diào)控，為探索基于極化斯格明子的新型電子器件提供了途徑。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)揭示了極化體系中的電偶極子在一定條件下也具有類(lèi)似特殊自旋凝聚結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)粒子行為，無(wú)疑將為電極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其性能關(guān)系研究打開(kāi)新的篇章。2019年4月17日，Nature雜志同期以“Electrifying skyrmion bubbles”為題，在“NEWS AND VIEWS”板塊對(duì)論文相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了重點(diǎn)推介，指出其對(duì)凝聚態(tài)基本物理和潛在應(yīng)用的新引領(lǐng)導(dǎo)向作用。

圖1： (SrTiO3)16/(PbTiO3)16/(SrTiO3)16三層體系及[(SrTiO3)16/(PbTiO3)16]8超晶格的低倍截面暗場(chǎng)像及平面STEM成像。c, d中插圖為相應(yīng)圖像的快速傅里葉變換。三層結(jié)構(gòu)中包含帶狀疇與單個(gè)斯格明子結(jié)構(gòu)；超晶格中以二維斯格明子晶格為主。

圖2：[(SrTiO3)16/(PbTiO3)16]8超晶格中斯格明子晶格的低倍平面HAADF-STEM欠焦成像。這里展示了平面TEM樣中8層PbTiO3及其中的大規(guī)模極化斯格明子晶格。