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研究背景

在人工智能、物聯網和大數據等技術飛速發展的時代背景下，全球對更高性能計算硬件的需求日益迫切，研發速度更快、尺寸更小、能耗更低的下一代信息存儲與處理技術已成為關鍵的國家級戰略需求。然而傳統的半導體存儲器件正逼近其物理極限，在提升存儲密度、降低能耗和加快讀寫速度方面遭遇了難以逾越的瓶頸。這催生了對顛覆性新材料和新原理器件的探索，以期突破現有計算架構的限制，為未來高性能計算和高能效電子設備提供核心支持。

在此戰略背景下，氧化物異質結中的“極性渦旋”等新型拓撲量子態，因其納米級的尺寸、獨特的極化排列以及理論上可達到的超高存儲密度和超快響應速度，為構建下一代非易失性存儲器和邏輯器件提供了極具潛力的技術路徑。但其實際應用面臨著重大的技術挑戰：其核心瓶頸在于如何對這些微觀的渦旋結構進行精確、可靠的按需操控。由于材料晶格和缺陷會產生強大的“釘扎效應”，這些極性渦旋的運動受到嚴重阻礙，難以實現穩定、可重復的移動、擦除或寫入。因此如何利用電場等外部手段有效克服這一內在物理限制，實現對極性渦旋位置和形態的精準調控，并保證其調控后狀態的長期穩定性，是該前沿領域有待攻克的核心科學技術難題。

實現可控驅動：首次駕馭極性渦旋的定向運動

研究團隊首先解決了該領域最核心的挑戰：如何讓原本被晶格“釘扎”住的極性渦旋動起來。他們創新性地在PbTiO?/SrTiO?異質結薄膜上，利用導電原子力顯微鏡的針尖施加一個“拖尾偏置電場”。實驗結果表明，當施加一個+5V的正向電壓并沿特定路徑掃描時，原本靜態的渦旋疇界會隨之向右側發生顯著的、可累積的位移，最大移動距離超過1100納米。這一發現首次證明了通過外部電場，可以像“推土機”一樣精準、長程地驅動極性渦旋，實現了從無序到有序的定向操控。

圖 在DyScO? (001)?c襯底上生長的STO/PTO/STO三層膜和PTO/STO超晶格中極性渦旋的結構與穩定化

圖 在STO/PTO/STO三層膜中操控極性渦旋運動

驗證可逆調控：原位電鏡揭示渦旋核的動態重排

為了驗證這種操控的雙向可逆性，并直接觀察其微觀物理過程，團隊接著施加了-5V的反向電場。結果渦旋疇界果然向左側發生了回退，基本恢復到初始位置，這證明了其運動方向可由電場極性精確控制。為了從根本上揭示這一過程的物理圖像，研究人員利用了澤攸科技的原位TEM測量系統，在透射電子顯微鏡內對渦旋進行實時的電場操控與成像。通過這一尖端設備，他們得以在原子尺度上“直播”渦旋的動態行為：在外加電場下，原本呈“之”字形排列的單個渦旋核心開始重新排列，逐漸拉直成一條線，從而在微觀層面證實了宏觀疇界移動的物理本質是渦旋核心的集體協同重排。

圖 在(PTO??/STO??)??超晶格中操控渦旋運動

圖 渦旋運動操控的穩定性

確認長時穩定：驗證新型存儲器件的“記憶”能力

對于任何存儲技術而言，寫入的新狀態必須能夠長期穩定存在。為驗證這種經電場操控后的新渦旋結構的穩定性，團隊進行了“時間考驗”。在通過電場將渦旋疇界移動到新位置后，他們撤去電場，并在2天、8天、30天乃至120天后對同一區域進行反復成像。結果顯示，被移動后的疇界位置幾乎沒有任何變化，展現出極強的“非易失性”或“記憶”特性。同樣，利用澤攸科技的原位TEM測量系統進行的實驗也進一步佐證了這一點：在電鏡下移動渦旋后，即使經過長達20天的持續觀察，新的渦旋排列結構依然保持穩定。這些結果有力地證明了被“駕馭”的極性渦旋具有作為高可靠性、高密度非易失性存儲器基本單元的巨大潛力。

圖 超晶格中脈沖電場作用下的隨機動力學行為與渦旋環形成

澤攸科技作為中國本土的高端精密儀器公司，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，陸續為國內外用戶的重磅研究成果提供了技術支持。下圖為該研究成果中用到的澤攸科技原位TEM產品：

FEI雙傾探針桿