近日，北京理工大学前沿交叉科学院/材料学院/珠海校区的黄厚兵、王静团队在铁电拓扑结构研究领域取得重要进展，与清华大学南策文教授团队合作的研究成果《General principle of ferroelectric topological domain formation》于2025年6月18日正式发表在国际权威期刊《Science Advances》上。这一成果系统揭示了铁电材料中拓扑结构形成的一般性原理，即“极化波叠加”原理。

该论文第一作者为北京理工大学王静副教授、清华大学博士后&北京理工大学博士高荣贞、以及北京理工大学唐诗雨博士和董守哲博士，通讯作者为黄厚兵教授和南策文教授。澳大利亚伍伦贡大学张树君教授也参与了研究和讨论。北京理工大学前沿交叉科学院/材料学院硕士生梁岷川、杨佳、聂振月、王启蒙、王鼎新，博士生杨华宇，博士后梁德山和Wael Ben Taazayet也参与了工作。该研究得到了国家自然科学基金基础科学中心项目、面上项目，国家重点研发计划、北京市自然科学基金等多个项目的资助。

拓扑结构：从“人工设计”走向“自发形成”的新理解

拓扑结构（如涡旋）在宇宙弦、液晶、铁磁、铁电、超导/超流玻色-爱因斯坦凝聚态、原子核等跨尺度体系中广泛存在。铁电涡旋因强极性各向异性导致的高能耗难以自发形成。人们通过设计对称的电学和力学边界条件来促进纳米尺度极化旋转，以实现人工创建的铁电涡旋结构。关键策略有严格调控铁电/介电超晶格原子堆叠、优化铁电纳米晶体尺寸和长宽比、调整铁电自由层扭转角度等。然而，目前涡旋形成的基本原理仍待进一步探讨。

波干涉可以生成多种拓扑向量实体，例如经典电磁（光学）波、声波、弹性波和水波中的涡旋。在铁电材料中，正负电荷的分离形成偶极子，这些偶极子在周期性排列时会产生连续的极化波。受这些波之间相似性的启发，该工作通过数学推导、相场模拟和角分辨压电力显微镜实验发现：两组正交的周期性极化波叠加可以自发诱导出铁电涡旋和反涡旋结构。相比以往对不同材料体系中“局部现象”的讨论，本研究揭示了一个跨材料系统通用的拓扑结构形成原理，适用于钛酸钡（BaTiO₃）、铋钨氧（Bi₂WO₆）、铁酸铋（BiFeO₃）等典型的四方相（T）、正交相（O）、菱方相（R）等铁电材料体系。

在该工作中，研究学者根据畴壁交叉组合类型对涡旋结构进行了分类，系统探索T、O和R相铁电体中所有可能的涡旋结构。

图1. 通过畴壁交叉组合类型进行涡旋分类。

证明了涡旋/反涡旋结构可以通过两个正交极化波的叠加形成，给出铁电涡旋畴形成的定量数学表达。

图2. 铁电涡旋单元和2D、3D涡旋-反涡旋阵列的极化波叠加。

通过实验和相场模拟，叠加原理还可以用于解释条纹畴和不规则的涡旋/反涡旋网络的形成。

图3. 极化波叠加形成条纹畴和涡旋-反涡旋网络的相场模拟和实验观察。

该“极化波叠加原理”不仅能够解释铁电涡旋的形成，还可以推广至多种已知及预测的拓扑结构，包括：1D结构：Ising、Néel、Bloch型畴壁；2D结构：merons、skyrmions等纳米涡旋态；3D结构：中心涡旋、Hopf环、Solomon环，甚至预测性提出Star of David rings结构。

图4. 极化波叠加原理扩展到1D, 2D, 3D拓扑结构

这些研究结果推进了对拓扑畴形成原理的理解，为拓扑畴结构的构建和调控提供了理论依据，也为铁磁、液晶、超导体和超流体等领域的拓扑工程开辟了新路径。

文章信息：

Jing Wang†，Rongzhen Gao†, Shiyu Tang†, Shouzhe Dong†, Minchuan Liang, Jia Yang, Huayu Yang, Zhenyue Nie, Deshan Liang, Qimeng Wang, Dingxin Wang, Wael Ben Taazayet, Shujun Zhang, Houbing Huang*, Ce-Wen Nan*. General principle of ferroelectric topological domain formation.  Science Advances , 2025, 11(25), eadu6223.

点击查看原文：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adu6223