文章来源：CNS生化环材、研精究微
6月18日，清华大学南策文院士联合北京理工大学黄厚兵教授团队在Science Advances上发表了题为“General principle of ferroelectric topological domain formation”的论文，报道了铁电拓扑畴形成的普遍原理。
【研究背景】
拓扑结构（如涡旋）广泛存在于宇宙弦、液晶、铁磁体、铁电体等跨尺度体系中。铁电涡旋因强极性各向异性导致的高能耗难以自发形成，以往研究依赖对称性边界条件的人工设计（如超晶格原子堆叠、纳米晶尺寸调控）。尽管存在多种调控策略，但是其形成机制仍然存在诸多争议。
【成果概览】
该项研究提出了铁电体中拓扑结构形成的普适原理，证明铁电涡旋的基本形成机制是两个正交偶极波的叠加。这一机制通过数学推导、相场模拟和角度分辨压电力显微镜（PFM）得到验证。该原理可进一步扩展至多种非平庸拓扑结构，包括伊辛/奈尔/布洛赫畴壁、半子、斯格明子、霍普夫环、所罗门环等。这些发现不仅深化了对现有拓扑结构形成机制的理解，还能预测铁电/铁磁材料、液晶及玻色-爱因斯坦凝聚态（超导体/超流体）中的新型拓扑结构（如大卫之星环）。
图1 铁电涡旋的DW交点分类
图2 涡旋/反涡旋单元和网络形成的偶极波叠加原理
图3 条纹域和涡旋/非涡旋网络形成的偶极子波叠加
图4 偶极子波叠加原理形成一维、二维和三维拓扑结构
【结论展望】
该项研究表明，铁电涡旋/反涡旋结构可通过两个正交偶极波的叠加形成，其电荷序呈现余弦函数特征。基于畴壁交点分类方法，系统统计了四方（T）、正交（O）和菱方（R）相铁电体中所有可能的涡旋构型。偶极波叠加原理可统一解释一维畴壁、二维涡旋/半子/斯格明子、三维刺猬型涡旋/霍普夫环/所罗门环等拓扑结构的形成，甚至涵盖普通条纹畴和混合型涡旋网络。该原理可推广至铁磁体、液晶、超导体等体系，为拓扑畴预测（如大卫之星环）提供理论框架。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu6223
