核心观点 - 中国科研团队在铁电材料领域取得重大突破，于萤石结构氧化锆中发现并证实了原子级尺度的“一维带电畴壁”，该发现突破了传统二维畴壁的存储密度极限，并揭示了其独特的“极化-离子”耦合传输特性，为构建高能效的类脑计算芯片与人工智能器件开辟了全新的物理路径[1][3][4] 技术突破与发现 - 研究团队打破了畴壁是二维面状拓扑缺陷的经典认知，在氧化锆中发现畴壁被限制在极性层内部，物理压缩成了原子级尺度的一维“线”[9][10][11] - 这些一维结构是特殊的“头对头”和“尾对尾”带电畴壁，其宽度和厚度仅为一个晶胞大小，具体尺寸为厚2.55Å、宽2.7Å，达到了物理尺寸的极限[3][12][15] - 电子束诱导实验证实，在电场驱动下，这些一维畴壁可以像滑块一样在晶格中独立移动，并伴随着氧离子的迁移，表现为极化-离子的强耦合效应[18][19][21] 材料特性与性能 - 该材料中的一维畴壁结构具有高度活性，变身为一条高效的“离子传输高速公路”，其室温下的氧离子电导率甚至优于钇稳定氧化锆等传统固体电解质[22] - 利用这种原子级一维畴壁进行数据存储，其理论存储密度可达每平方厘米20TB，相当于在一张邮票大小的设备中存储1万部高清电影[24] - 极高的存储密度结合独特的离子传输特性，契合了类脑计算对高能效、多级存储及突触行为模拟的需求[24] 稳定机制与微观机理 - 研究团队利用多层电子叠层成像技术进行观测，该技术将空间分辨率提升到了约28皮米，突破了传统透射电镜对轻元素成像的瓶颈[27][28] - 高能畴壁的稳定存在依赖于晶格内部自发的非化学计量比电荷补偿机制，即通过局部引入高浓度的点缺陷作为“电荷胶水”来维持结构平衡[29][34] - 在带正电的“头对头”交界处，晶格容纳了大量过量的间隙氧离子，实验观测到典型区域每个亚晶胞中额外“挤”入的氧原子数量达到0.771个[30] - 在带负电的“尾对尾”交界处，晶格表现为氧空位的聚集，典型区域每个亚晶胞中的氧空位数量高达0.8个左右[31][32] - 氧离子占据率在几个埃米的范围内发生剧烈突变，这种高浓度的缺陷聚集不仅屏蔽了极化电荷使结构稳定，也提供了可自由流动的电荷载体，使材料成为优异离子导体[36] 研究团队与发表 - 该研究由北京凝聚态物理国家研究中心主导，共同第一作者为中科院物理所出站博士后、鲁东大学副教授钟海以及中科院物理所博士生王诗雨[37] - 通讯作者由金葵娟院士、葛琛研究员和张庆华副研究员共同担任[38] - 研究成果论文发表于最新一期《Science》期刊[1][41]