研究突破概述 - 中国科学院物理研究所研究团队通过激光法创制了自支撑萤石结构铁电薄膜，并利用电子显微镜技术对薄膜中的一维带电畴壁进行了原子尺度的观测和调控，相关成果于1月23日在国际学术期刊《科学》发表 [1] 铁电材料特性与应用潜力 - 铁电材料内部由许多微小的“电学指南针”组成，指示自发极化的方向，其极化方向可通过外部电场反转 [3] - 铁电材料中的“电学指南针”能够吸引附近物质中的电荷，基于这一特性，铁电材料在信息存储、传感、人工智能等领域具有巨大的应用潜力 [3] 铁电畴与畴壁的基本概念 - 铁电材料中的“指南针”并非全部指向同一方向，而是分成了极化方向一致的“铁电畴”和分隔不同铁电畴的“畴壁” [4] - 当不同极化取向的铁电畴组合在一起时，它们的界面就是畴壁，若两个铁电畴的同一极拼在一起，其间的畴壁会因电荷聚集而难以稳定，需要电荷补偿机制来稳定 [4] - 由于特殊“胶水”（电荷补偿机制）的存在，带电畴壁通常具有迥异于铁电畴的物理特性 [4] - 在三维铁电晶体中，畴壁传统上被认为是二维的面，具有远小于畴的尺寸，科学家据此提出了畴壁纳米电子学，希望基于畴壁工程大幅提升器件性能 [4] 萤石结构铁电材料的创新发现 - 萤石结构铁电材料（如二氧化锆ZrO2）的三维晶体结构由极性晶格层和非极性晶格层交替排列组成，铁电极化被限制在分离的极性晶格层中 [6] - 在该材料中，原本的三维铁电畴结构变成了分离的二维铁电畴，因此可能存在一维的带电畴壁结构 [6] - 研究团队发现这些一维带电畴壁被约束在极性晶格层中，其厚度和宽度均具有埃级尺寸，约为人类头发直径的数十万分之一 [6] - 畴壁处过量的氧离子或氧空位充当了黏结的“胶水”，稳定了这些带电的畴壁 [6] - 研究团队利用电子辐照产生的局部电场，演示了对这些一维带电畴壁的人工操控，包括产生、运动和擦除 [6] - 该研究成果颠覆了人们对畴壁结构的传统认知，并为开发具有极限密度的人工智能器件提供了科学基础 [6]