北理工铁电拓扑研究获重大突破

**北理工铁电拓扑研究获重大突破，揭示材料拓扑结构形成新机制** 北京理工大学黄厚兵、王静团队与清华大学南策文团队合作，在铁电拓扑结构研究中取得突破性进展。相关研究成果发表于《Science Advances》，揭示了铁电材料中拓扑结构形成的基本机制——“极化波叠加”原理。该研究突破了以往人工构造铁电涡旋的局限，实现了拓扑结构的自发生成，为铁电涡旋畴的形成提供了定量数学表达式，并验证了其在多种铁电材料体系中的适用性。此项研究不仅深化了人们对拓扑畴形成机制的理解，为拓扑结构的设计与调控提供了理论指导，也为其他领域的拓扑工程开辟了新的思路。

近日，北京理工大学前沿交叉科学院/材料学院/珠海校区黄厚兵、王静研究团队与清华大学南策文教授团队合作，在铁电拓扑结构研究方面取得突破性进展。研究成果《General principle of ferroelectric topological domain formation》于2025年6月18日发表在国际著名期刊《Science Advances》上。该研究系统揭示了铁电材料中拓扑结构形成的基本机制——“极化波叠加”原理。

论文的第一作者包括北京理工大学王静副教授、清华大学博士后暨北理工博士高荣贞、以及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本项研究。此外，北理工前沿交叉科学院/材料学院的硕士生梁岷川、杨佳、聂振月、王启蒙、王鼎新，博士生杨华宇，博士后梁德山与Wael Ben Taazayet也共同参与了相关工作。项目获得了国家自然科学基金基础科学中心项目、面上项目，国家重点研发计划及北京市自然科学基金等多项支持。

从“人工设计”到“自发生成”的拓扑结构新认知

拓扑结构（如涡旋）广泛存在于宇宙弦、液晶、铁磁、铁电、超导/超流玻色-爱因斯坦凝聚态、原子核等多个跨尺度体系中。然而，由于强极性各向异性带来的高能量代价，铁电涡旋难以自然形成。目前人们主要通过构建对称的电学与力学边界条件来诱导纳米级极化旋转，从而实现人为构造的铁电涡旋。关键手段包括调控铁电/介电超晶格的原子堆叠方式、优化铁电纳米晶体的尺寸与长宽比、调节铁电自由层的扭转角度等。但关于其形成机制仍存在诸多未解之谜。

波干涉能够产生多种拓扑向量结构，例如电磁波、声波、弹性波或水波中的涡旋。在铁电材料中，正负电荷分离形成的偶极子周期排列时会产生连续的极化波。受此启发，研究人员通过数学推导、相场模拟和角分辨压电力显微镜实验发现：两组相互垂直的周期性极化波叠加可以自发诱导出铁电涡旋与反涡旋结构。相比于以往仅针对特定材料体系中“局部现象”的分析，这项研究提出了一个适用于不同材料系统的通用拓扑结构形成机制，涵盖钛酸钡（BaTiO₃）、铋钨氧（Bi₂WO₆）、铁酸铋（BiFeO₃）等多种典型四方相（T）、正交相（O）、菱方相（R）铁电材料体系。

在本工作中，科研人员依据畴壁交叉组合类型对涡旋结构进行了分类，并全面探讨了T、O和R相铁电体中所有可能的涡旋构型。

图1. 按照畴壁交叉模式对涡旋进行分类。

研究证实，涡旋与反涡旋可通过两个正交方向上的极化波叠加而形成，并给出了铁电涡旋畴形成的定量数学表达式。

图2. 极化波叠加下的铁电涡旋单元与二维、三维涡旋-反涡旋阵列。

实验与相场模拟进一步表明，叠加原理同样适用于条纹畴以及不规则涡旋/反涡旋网络的解释。

图3. 通过极化波叠加形成的条纹畴与涡旋-反涡旋网络的模拟与实验验证。

所提出的“极化波叠加原理”不仅适用于铁电涡旋，还可推广至多种已知和预测的拓扑结构，包括：

• 一维结构：Ising型、Néel型、Bloch型畴壁；
• 二维结构：merons、skyrmions等纳米涡旋态；
• 三维结构：中心涡旋、Hopf环、Solomon环，甚至预测出一种新型结构——Star of David rings。

图4. 极化波叠加原理拓展至1D、2D、3D拓扑结构

这一成果深化了人们对拓扑畴形成机制的理解，为拓扑结构的设计与调控提供了理论指导，也为铁磁、液晶、超导和超流体等领域的拓扑工程开辟了新的思路。

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.

文章链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adu6223

今天带大家了解了的相关知识，希望对你有所帮助；关于科技周边的技术知识我们会一点点深入介绍，欢迎大家关注golang学习网公众号，一起学习编程~