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]

克雷西 发自 凹非寺 量子位 | 公众号 QbitAI 中国铁电材料研究获重大突破，为下一代人工智能器件奠定了全新物理基础！ 中科院物理研究所的最新成果，揭开了 萤石结构氧化锆中原子级"一维带电畴壁" 的神秘面纱，论文登上了最新一期Science。 突破铁电材料存储密度极限 在了解这项成果之前，首先了解一下什么是铁电材料。 铁电材料是指一类具有自发极化，且极化方向可由外电场翻转的晶体材料。 如果用更通俗的语言来描述，可以将铁电材料想象成内部充满了微小的"电学指南针"，它们并不指向地理的南北，而是指示着正负电荷分离的 方向。 团队通过原子级成像证实，这些畴壁的宽度和厚度仅为一个晶胞大小，被限制在二维极性层内部，达到了物理尺寸的极限。 该发现揭示了氧离子"自我平衡"的电荷屏蔽机制，不仅突破了传统二维畴壁的存储密度瓶颈，还发现了这种一维结构具备独特的"极化-离子"耦 合传输特性。 这种特性的揭示，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 。 为了维持能量最低的稳定状态，这些"指南针"通常会成群结队地指向同一方向，形成铁电畴（Domain）。 如果将铁电材料比作一个魔方，那么颜色相同的小方块区域 ...

在当今物质科学和信息技术交叉融合前沿的铁电材料与畴壁研究领域，中国科学家团队最新研究发 现一维带电畴壁新结构，补全了铁电物理的一块拼图，这不仅颠覆了人们对于畴壁结构的传统认知，也 为开发具有极限密度的人工智能器件奠定重要科学基础。 这项物理学基础前沿的重要研究突破，由中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心金 奎娟院士、葛琛研究员、张庆华副研究员联合团队共同完成，他们通过激光法成功创制自支撑萤石结构 铁电薄膜，并利用先进的电子显微镜技术对薄膜中的一维带电畴壁进行原子尺度的观测和调控。北京时 间1月23日凌晨，相关成果论文在国际学术期刊《科学》（Science）上线发表。 何为铁电材料 研究团队介绍说，在物质世界中存在一类特殊的晶体材料，其内部由许多微小的"电学指南针"组 成，它们不是指向南北，而是指示正负电荷中心分离的方向，即自发极化的方向。物理学家称这种即使 没有外部电场也自发地存在正负电荷分离且规则排列的材料为铁电材料。 像指南针能够吸引铁质金属一样，铁电材料中的这些"电学指南针"也能够吸引附近物质中的电荷。 基于它们的这一特性，铁电材料在信息存储、传感、人工智能等领域都具有巨大的应用潜力。 本项 ...

中国团队发现铁电材料新结构 将助力极限密度人工智能器件开发 中新网北京1月23日电 (记者 孙自法)在当今物质科学和信息技术交叉融合前沿的铁电材料与畴壁研究领 域，中国科学家团队最新研究发现一维带电畴壁新结构，补全了铁电物理的一块拼图，这不仅颠覆了人 们对于畴壁结构的传统认知，也为开发具有极限密度的人工智能器件奠定重要科学基础。 这项物理学基础前沿的重要研究突破，由中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心金奎娟 院士、葛琛研究员、张庆华副研究员联合团队共同完成，他们通过激光法成功创制自支撑萤石结构铁电 薄膜，并利用先进的电子显微镜技术对薄膜中的一维带电畴壁进行原子尺度的观测和调控。北京时间1 月23日凌晨，相关成果论文在国际学术期刊《科学》(Science)上线发表。 何为铁电材料 研究团队介绍说，在物质世界中存在一类特殊的晶体材料，其内部由许多微小的"电学指南针"组成，它 们不是指向南北，而是指示正负电荷中心分离的方向，即自发极化的方向。物理学家称这种即使没有外 部电场也自发地存在正负电荷分离且规则排列的材料为铁电材料。 研究团队指出，他们从2018年便开始萤石结构铁电材料的研究，进行材料制备上的创 ...