4月20日獲悉，由beat365李千助理教授和美國阿貢國家實驗室Haidan Wen博士等人組成的研究團隊首次實驗觀測到鐵電極化渦旋在亞太赫茲頻段的多個集體晶格振蕩模式，并發現一種具有大應變與電場調諧性的渦旋軟模（vortexon）。該研究工作是近年來基礎鐵電物理學的一個重大突破，其發現的渦旋疇的動态性質在5G/6G微波介電、太赫茲光電子等新興領域均有潛在應用前景，并在方法學層面上樹立了材料超快結構動力學研究的新範式。

鐵電材料的自發極化來源于晶胞内部正、負離子的相對反向位移，這些位移在不同晶胞間通常以平行方式排列。在特定的彈性、靜電邊界條件下（如在PbTiO₃/SrTiO₃鐵電體/介電體超晶格中），離子極化位移會偏離平行排列而産生連續旋轉狀态，由此可形成新穎的極化拓撲結構，包括極化渦旋（polar vortex）、極化斯格明子（polar skyrmion）等。目前，人們對這些新穎極化拓撲結構的研究主要側重于對其靜态極化組态的觀察分析，而對其動力學行為仍停留在推測階段，還沒有任何實驗手段對這些推測進行證實，也尚不清楚形成的拓撲結構是否存在新的軟模以及它們在超快時間尺度的動力學性質。

（a）渦旋動态響應理論頻譜（b）渦旋軟模的運動方式（c）實驗示意圖

針對上述問題，該研究通過硬X射線自由電子激光散射實驗，并結合動力學相場模型與原子尺度模型兩種模拟方法，對強場太赫茲脈沖激發下(PbTiO₃)₁₆/(SrTiO₃)₁₆超晶格薄膜中極化渦旋在百飛秒量級的時間分辨率下的超快動力學進行了研究。實驗中，通過測量極化渦旋的X射線衍射強度随泵浦-探測延遲時間的變化曲線，分析得到了主要位于0.08 THz（293K）附近和0.3-0.4 THz兩個頻域的模式。二者在實空間分别對應于相鄰渦旋從直線排列開始橫向振動的模式和更複雜的、具有渦旋壁扭轉與呼吸等特征的動力學模式。此外，該研究還揭示了渦旋集體動力學模式的頻率和振幅的可調諧性，通過改變樣品溫度産生熱應變，觀察到了低頻橫向振動模式的頻率顯著變化，表現出典型的軟模行為（即渦旋軟模）。計算結果與實驗結果在響應模式頻率、激發選擇性以及模拟X射線衍射信号等方面有着較好的吻合。

實驗中（a）293 K下0.08 THz模式（b）0.3-0.4 THz模式及（c）二者對應頻譜的溫度演化

4月15日，上述研究工作以“極化渦旋的亞太赫茲集體動力學”（Subterahertz collective dynamics of polar vortices）為題，以封面文章形式在線發表于《自然》（Nature）期刊。《自然》同期刊登了由法國皮卡第大學伊格爾·盧克揚恰克（Igor Luk’yanchuk）教授和瑞士Terra Quantum AG公司瓦列裡·維勒克（Valerii M. Vinokur，2020年菲列茲·倫敦獎獲得者）博士所作的評論文章《鐵電渦旋動力學的發現》（Dynamics of ferroelectric vortices revealed），對該工作的基礎科學價值及潛在應用背景給予了高度評價，稱“該研究發現的振蕩模式将有助于将太赫茲半導體器件縮小到納米量級，并實現電場驅動的高速高密度數據處理”。

李千助理教授為本論文的第一作者，其在博士後期間合作完成了該工作的主要部分，其後在清華完成了部分相場模拟工作和論文投稿。工作得到國家自然科學基金基礎科學中心項目的資助。

論文鍊接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03342-4