微小的电涡流桥接铁电和铁磁材料之间的间隙

铁磁材料具有自生磁场，铁电材料自身产生电场。尽管电场和磁场是相关的，但物理学告诉我们它们是截然不同的材料类别。现在，华威大学领导的科学家们发现了一种复杂的电“涡”状图案，它反映了它的磁性对应物，这表明它们实际上可能是同一枚硬币的两个面。

在《自然》杂志的一项新研究中详细介绍了该研究，该研究由工程和物理科学研究委员会 (EPSRC)(英国研究与创新的一部分)和皇家学会资助，结果首次证明了铁电材料的工艺可与铁磁体中的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用。这种特殊的相互作用在稳定拓扑磁结构(例如斯格明子)方面发挥着关键作用，并且对于利用其电类似物的潜在新电子技术可能至关重要。

多年来，大块铁电晶体已在包括声纳、音频传感器和致动器在内的一系列技术中使用。所有这些技术都利用了固有的电偶极子及其在材料晶体结构和应用领域之间的相互关系。

在这项研究中，科学家们创造了一层铁电钛酸铅薄膜，夹在铁磁体钌酸锶层之间，每层约 4 纳米厚——仅为单股 DNA 厚度的两倍。

虽然这两种材料的原子形成单一的连续晶体结构，但在铁电钛酸铅层中，电极化通常会形成多个“域”，如蜂窝。这些域只能使用最先进的透射电子显微镜和 X 射线散射来观察。

但是，当华威大学团队检查组合层的结构时，他们发现钛酸铅中的域是涡线的复杂拓扑结构，在不同方向交替旋转。

在已知由 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMi) 产生的铁磁体中也发现了几乎相同的行为。

华威大学物理系的主要作者 Marin Alexe 教授说：“如果你看看这些特性是如何缩小的，铁磁性和铁电性之间的差异变得越来越不重要。它们可能会在某个时刻合并为一个独特的材料。这可以是人造的，并结合非常小的铁磁体和铁电体来利用这些拓扑特征。我很清楚，就这项研究的发展方向而言，我们处于冰山一角。”

合著者、华威大学研究生 Dorin Rusu 说：“意识到在铁电体中偶极纹理在一定程度上模仿了它们的磁性对应物，确保了对推动这种相似性的基础物理学的进一步研究。这个结果并不是当你考虑到电场和磁场的起源和强度的差异时，这是微不足道的。”

这些涡流的存在之前已经被理论化，但它需要使用华威大学的尖端透射电子显微镜以及其他四个设施的同步加速器来准确观察它们。这些技术使科学家能够高度确定地测量每个原子的位置。

合著者安娜·桑切斯教授说：“电子显微镜是理解这些拓扑结构的一种改变游戏规则的技术。它是揭示这些新材料来龙去脉的关键工具，它使用亚原子电子束生成内部图像结构体。”

共同作者 Thomas Hase 教授补充说：“访问英国、欧洲和美国的高端设施对于这项特殊研究至关重要。”

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