我国科研团队发现一维带电晶体结构
1月23日，中国科学院物理研究所研究团队取得重大突破，首次利用激光沉积技术成功制备出自支撑的萤石结构铁电薄膜，并借助先进的电子显微技术，在原子尺度上实现了对薄膜内部一维带电畴壁的观测与调控。相关研究结果已发表于国际权威学术期刊《科学》。
△图中每个小方块代表原子晶格，方块颜色象征极化状态，相同颜色的区域构成铁电畴，不同畴之间的边界即为畴壁（绿色部分）。
在自然界中，某些晶体材料内部分布着大量微小的“电学指南针”，这些结构并非指向地理方向，而是指示正负电荷中心分离的方向，即自发极化。在没有外界电场作用的条件下，这种材料仍能保持电荷的分离与有序排列，称为铁电材料。其极化方向可在电场作用下反转，从而表现出类比于磁铁的电荷吸引力。基于这种特性，铁电材料在非易失性存储、传感器及神经形态计算等领域展现出广阔前景。
为了实现体系能量的最小化，铁电材料中的极化方向并非统一，而是以“铁电畴”形式分布，各个畴之间通过二维的畴壁相互隔离。可以将铁电材料想象成一个魔方，所有小块颜色一致时对应无畴壁的单一畴结构；而颜色不同时，相邻区域即为畴壁。当两个极化方向相同的铁电畴相邻时，由于电荷聚集，系统稳定性下降，需要某种形式的“电荷补偿机制”作为“胶水”稳定界面。正是这种补偿机制，使带电畴壁展现出不同于普通铁电畴的独特物理性质。
△萤石结构铁电材料ZrO2（二氧化锆）中的一维带电畴壁示意图。
研究人员提出，自然界是否存在材料可以形成更细小的铁电畴壁，从而显著提升存储密度？萤石结构铁电材料的出现为这一问题提供了新思路。该材料的晶体结构由极性晶格层与非极性晶格层交替组成，铁电极化被限制在极性晶格层中，不同层之间几乎无相互作用，使得原本的三维铁电畴结构被拆分为独立的二维畴结构。在这种体系中，理论上可能形成一维的带电畴壁。
为验证这一设想，科研团队通过实验发现，此类带电畴壁确实被限制在极性晶格层中，其厚度和宽度均达到埃级（相当于人类头发直径的百万分之一）。畴壁区域中的过量氧离子或氧空位充当了稳定的“黏合剂”，从而维持了其结构完整性。研究团队还利用电子束辐照引发的局部电场，成功实现了对这些一维带电畴壁的人工操控。
这一发现不仅挑战了传统对铁电畴壁结构的认知，也为未来开发具有极限存储密度和高能效的人工智能硬件系统奠定了坚实的理论与技术基础。