Nature子刊 | 在氧化物超晶格中实现室温极性斯格明子包的可控构建-泽攸科技

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Nature子刊 | 在氧化物超晶格中实现室温极性斯格明子包的可控构建

发布时间：

2026-01-12

随着数据存储需求爆炸式增长，传统存储技术面临密度与稳定性双重瓶颈。斯格明子作为新型拓扑结构虽展现出赛道存储器应用前景，但单个斯格明子编码单一比特的模式极易因间距变化导致数据丢失，而铁电体系中构建稳定极性斯格明子袋面临本质挑战——不同于磁性材料可通过Dzyaloshinskii-Moriya相互作用稳定拓扑结构，铁电系统缺乏等效机制，室温下操控多层级极性拓扑态尤为困难。

本文关键词：原位 TEM、斯格明子包观测研究、原位 TEM 电场操控实验技术、原位 TEM 钨探针电学偏置测试、PicoFemto 系列原位 TEM 应用、原位 TEM 极性斯格明子结构表征、原位 TEM 氧化物超晶格测试、原位 TEM 拓扑电荷原位调控、FEI 双倾探针杆原位 TEM 适配、原位 TEM 多态拓扑结构观测、原位 TEM 非易失存储研究支撑、原位 TEM 存算一体技术研发、泽攸科技原位 TEM 测量系统、FEI 双倾探针杆应用、原位透射电子显微镜表征解决方案、PicoFemto 系列原位 TEM 产品、原位 TEM 钨探针电学偏置实验、高端原位电子显微镜供应商

战略上需突破电场可编程的高阶拓扑结构精准构筑技术，开发拓扑电荷与电学读出直接映射的新范式，以实现单单元多位存储与超低能耗数据处理。极性斯格明子袋的研究不仅关乎存储密度的数量级提升，更为后摩尔时代低损耗、抗干扰纳米电子学提供全新架构，对突破"内存墙"限制、构建存算一体系统具有不可替代的战略价值。

针对上述问题，由浙江大学、印度科学研究所等组成的团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了系统研究，核心创新在于首次在铁电/介电氧化物超晶格中实现了室温极性斯格明子包的创建、演化与擦除，并通过电场调控了其内部拓扑电荷，为下一代高密度、多态存储器件提供了新的拓扑结构基础。

标题：Harness of room-temperature polar skyrmion bag in oxide superlattice
期刊：Nature Communications
网址：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64858-1

室温极性斯格明子体系

本研究以 PbTiO₃/SrTiO₃（PTO/STO）氧化物超晶格为模型体系，首先解决的是一个基础问题：在室温条件下，是否能够稳定获得具有明确拓扑特征的极性结构。研究团队通过 RHEED 辅助脉冲激光沉积技术制备了高质量外延超晶格薄膜，并利用 X 射线衍射与倒空间映射确认了其良好的周期性与外延质量。在此基础上，结合 HAADF-STEM、压电力显微镜（PFM）以及导电原子力显微镜（cAFM）表征，研究人员在室温下清晰观测到了具有涡旋极化特征的极性斯格明子气泡。这些斯格明子不仅在结构上稳定存在，还在电学测量中表现出增强的局域导电特性，为后续通过外加电场操控更高阶拓扑结构提供了可靠的物理基础。

电场诱导：如何从斯格明子演化为斯格明子包

在确认极性斯格明子稳定存在之后，研究的核心问题转向：是否能够在铁电体系中，通过电场手段构建更高阶的拓扑结构——极性斯格明子包。实验与相场模拟共同表明，当通过 PFM 或 cAFM 探针在样品表面施加局域电场脉冲时，原有的极性斯格明子会在电场作用下发生扩张、畸变并相互连接。

随着电场作用的持续，相邻斯格明子逐渐形成一个封闭的环状边界，该边界将内部区域与外部斯格明子分隔开来；当外加电场移除后，该结构发生弛豫并稳定下来，最终形成一种由外层“包裹壁”与内部多个极性相反斯格明子组成的极性斯格明子包结构。相场模拟清晰揭示了这一从单一斯格明子态向“包状”拓扑结构转变的动力学过程，并与实验观察高度一致。

原位 STEM 验证：斯格明子包是否真实存在

为了在更高空间分辨率下直接验证斯格明子包的形成，研究团队进一步开展了原位 STEM 实验。在该实验中，研究人员使用了泽攸科技的原位TEM测量系统，在透射电子显微镜环境下，于钨探针与样品顶部 Au 导电层之间施加垂直电学偏置。在施加电偏置后，原位 STEM 成像清晰显示出具有明确边界的斯格明子包结构，其内部包含多个极性斯格明子，形貌与相场模拟预测结果一致，该原位实验从结构层面直接验证了极性斯格明子包的真实存在。

可逆操控与多态拓扑电荷：迈向存储应用的关键一步

在确认斯格明子包可被稳定创建之后，研究进一步探讨了其可逆性与可调控性。实验与模拟结果表明，通过改变外加电压的符号，可以实现斯格明子包的擦除与重构：反向电压会破坏外层包裹结构，使体系回到常规斯格明子态，而再次施加原始极性的电压则可重新生成斯格明子包。这一过程具有良好的重复性，显示出可靠的电场操控特性。

更进一步，研究发现通过调节施加电压的幅值，可以连续改变斯格明子包内部所包含的斯格明子数量，从而实现对其拓扑电荷的原位调控。由于斯格明子包的边界及内部区域均表现出增强的局域导电特性，拓扑电荷可以与可测量的电学信号建立对应关系。这使得单个斯格明子包具备承载多级信息的能力，为未来非易失、多态、高密度存储器件提供了清晰的物理实现路径。

泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM产品：