近日，北京理工大学前沿交叉科学研究院/材料学院王静、黄厚兵课题组在铁电纳米晶中的极化所罗门拓扑畴结构方面取得研究进展，与清华大学南策文教授团队合作，在《Nature Communications》上发表研究成果：“Polar Solomon rings in ferroelectric nanocrystals”。通过结合压电响应力显微镜和相场模拟，作者在铁电纳米晶中观察到极性所罗门环，它由两个相互缠绕的三维极化涡旋组成，并且作者证明极化所罗门环和中心型四瓣畴之间可以通过电场可逆调控。进一步，作者发现这两种类型的极化拓扑畴对太赫兹红外光显示出不同的吸收强度，这一特征可以被用于设计具有纳米级分辨率的红外光显示器。该论文第一作者为王静副研究员、梁德山博士后和清华大学马静副教授，通讯作者为黄厚兵教授和南策文教授。昆明理工大学马吉教授，中国科学院物理研究所张庆华副研究员，北京理工大学洪家旺教授，王学云副教授和张楠教授，北京师范大学张金星教授，清华大学林元华教授，谷林教授和易迪助理教授以及宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授也参与了研究和讨论。北京理工大学前沿交叉科学研究院/材料学院Hasnain Mehdi Jafri博士后（已出站），硕士生樊源源，杨华宇，董守哲，博士生刘迪（已毕业），郭常青，清华大学博士生王玥为合作者。
所罗门链/环以所罗门王的名字命名，有着深厚的历史渊源，被广泛用于古代建筑和服装的装饰。所罗门环由两部分(红环和蓝环)组成，形成四个交叉点，在数学上被描述为4₁²链，是数学扭结理论中的拓扑结构之一。近年来，这种基于纽结理论的拓扑结构在自然界或人工构建的结构中被广泛观察到，例如，在生物/化学分子、液晶、量子物质等，有三叶结、霍普夫链、所罗门环等。

图1.BiFeO₃纳米晶中的极化所罗门环。
在该工作中，研究****通过压电力显微镜，在自组装BiFeO₃纳米晶中观察到了具有4₁²结构的极化所罗门拓扑畴结构。该结构由两个涡旋环组成，其一为R₁^–→R₄⁺→R₃^–→R₂⁺的涡旋，另一为R₁⁺→R₄^–→R₃⁺→R₂^–的涡旋。两种涡旋相互扭抱，且在三维空间形成四个交点。

图2.相场模拟表征极化所罗门环的拓扑特性。
通过相场模拟分析，研究****表征了极化所罗门环的拓扑特性。通过计算纳米岛各层中畴结构的三维极化分布，验证了纳米岛极化所罗门环的存在，并通过计算极化缠绕数验证其拓扑特性。

图3. BiFeO₃纳米晶中极化所罗门与中心型拓扑畴结构之间的电致拓扑相变。
在此基础上，研究者通过电场调控，使BiFeO₃纳米晶发生从极化所罗门环到中心型四瓣畴的可逆拓扑畴相转变。

图4.BiFeO₃纳米晶中不同拓扑畴结构的红外吸收性能。

图5.电场调控纳米晶畴结构后的红外光显示图案。
研究者探究了极化所罗门环结构与中心型拓扑畴结构对太赫兹红外光吸收性能的差别，并通过电场调控纳米晶的红外吸收性能。通过纳米红外方法表征两种拓扑畴结构对太赫兹红外光的吸收情况，发现所罗门环结构对红外光的吸收能力低于中心型四瓣畴。随后通过外加电场调控BiFeO₃纳米晶阵列畴结构类型，在纳米红外吸收图像中显示出”BIT”字样，可以用于纳米级分辨率的红外显示器。
论文详情：
Jing Wang^#, Deshan Liang^#, Jing Ma^#, Yuanyuan Fan, Ji Ma, Hasnain Mehdi Jafri, Huayu Yang, Qinghua Zhang, Yue Wang, Changqing Guo, Shouzhe Dong, Di Liu, Xueyun Wang, Jiawang Hong, Nan Zhang, Lin Gu, Di Yi, Jinxing Zhang, Yuanhua Lin, Long-Qing Chen, Houbing Huang* & Ce-Wen Nan*, Polar Solomon rings in ferroelectric nanocrystals, Nat. Commun 14:3941 (2023).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-39668-y
论文连接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39668-y


附作者简介：
王静，北京理工大学前沿交叉科学研究院副研究员。主要从事铁电及多铁性复杂氧化物薄膜/异质结的外延生长，畴结构演化机理及多场耦合调控方面的研究。发表论文60余篇，包含Nat. Commun., Adv. Mater., Acta Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces 等。主持国家自然科学基金青年项目，中国博士后项目，为JAD首届青年编委。
黄厚兵，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师。主要从事相场模拟材料微观结构演化研究，在Nature, Science, Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Acta Mater., Sci. Bull.等期刊发表SCI论文110余篇，多次在国际大会作邀请报告。所开发的模型源代码已集成于商业软件μ-Pro。黄厚兵特别研究员先后主持自然科学基金面上和青年项目、科技部重点研发计划子任务、北京市“青年托举工程”等5项。担任“相场与集成计算材料工程会议”理事会常务理事、中国硅酸盐学会青年工作委员会委员、北京市硅酸盐学会理事和Adv. Mater. Dev. 青年编委等。