玩转铁电魔方：我国科学家发现一维带电畴壁

在物质世界中存在一类特殊的晶体材料——铁电材料，像指南针能够吸引铁质金属一样，铁电材料也因内部存在的“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、人工智能等领域展现出巨大应用潜力。

不过，出于降低系统能量的需求，铁电材料中的　“指南针”并非全部指向同一极化方向，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”。一块铁电材料就像一个魔方，当所有小方块颜色相同时魔方便是无畴壁的单一铁电畴；当不同颜色的小方块（即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。

记者从中国科学院获悉，近日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研究团队，在三维晶体里寻找到了一维带电畴壁新物态，补全了铁电物理的一块拼图。这一研究成果颠覆了人们对于铁电材料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。

这些一维畴壁具有怎样的结构和性质呢？研究团队创制了自支撑萤石结构铁电薄膜，并对薄膜中的一维带电畴壁进行了原子尺度的观测和调控。研究发现这些带电畴壁被约束在极性晶格层中，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），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。利用电子辐照产生的局部电场，研究团队实现了对这些一维带电畴壁的人工操控。

研究团队表示，铁电畴壁研究对人工智能硬件的革新潜力巨大。利用具有灵活电场可调性的畴壁单元，可在同一物理器件中实现高密度数据存储与类脑计算功能，为开发下一代高性能、低功耗的人工智能芯片提供核心材料解决方案。（经济日报记者 沈慧）