铁电材料在信息存储、传感器、电容器、超声换能器以及医学成像等方面有着广泛的应用。在传统铁电材料中，离子间的静电库仑力被认为是发生空间反演对称破缺的主要驱动力。然而，由于自由电子对静电库仑力的屏蔽作用，铁电金属体中铁电性与金属性的共存，严重挑战着人们对铁电性起源的传统认知。自上世纪60年代Anderson和Blount提出铁电金属体的概念起，近几年已有如LiOsO3（Nat. Mater., 2013, 12, 1023）和WTe2（Nature, 2018, 560, 336）等体系相继被证实。尽管如此，具有拓扑极性特征的铁电金属材料尚不曾被发现和报道。
德国于利希研究中心Ernst Ruska-Centre的魏现奎博士与研究团队在具有高效析氢和CO2还原催化活性的Ni2P体系中，首次发现了拓扑铁电性与金属性的共存。六方结构的Ni2P金属具有非中心对称空间群
，受限于旋转反伸对称操作，三次对称的四面体和五面体沿z轴方向交替旋转堆垛。通过构建配位多面体的极性对称方程，研究发现多面体极性的大小与元素的价态存在线性关联。电子能量损失谱对价态的定量测量证实了两者之间借助镍原子位置表现出的关联性。
图1. Ni2P的多面体配位特征及元素价态测定。图片来源: Adv. Mater.
第一性原理计算的结果显示，伴随可调双线性双势井的出现，面内压应力的施加导致多面体的拓扑极性由同心收缩转变为同心发散构型，两者卷绕数均为一。镍阳离子的双重作用，即多面体内的极性位移和Ni-Ni金属键的三维键合，是拓扑铁电性与金属性共存的根本原因。与此同时，可翻转的多面体极性与自旋轨道耦合诱导的动量依赖的自旋劈裂同样存在耦合关联。
图2. Ni2P中可翻转拓扑极化、双势井及费米面处的自旋劈裂。图片来源: Adv. Mater.
拓扑铁电金属体的发现定义了一个全新的材料体系，与此相类似的元素价态-极化-自旋之间的密切关联有望在具有非极性（-4, -42m, -6, -62m, -43m）、手性和手性极性（1, 2, 3, 4, 6, 222, 422, 622, 32, 23, 432）点群的二元及多元磷族化物、硫族化物及氧化物中大量存在。在物理及材料学方面，该发现将有助于进一步探索拓扑铁电性与铁磁性的耦合效应以及极性超导体中的超导电性起源。在电化学能源转化方面，自旋-轨道耦合诱导的自旋极化为解析催化反应中的能量转移及转化路径提供了重要线索。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者及唯一通讯作者是德国于利希研究中心的研究员魏现奎博士。
Discovery of Real‐Space Topological Ferroelectricity in Metallic Transition Metal Phosphides
Xian-Kui Wei, Gustav Bihlmayer, Xiaodong Zhou, Wanxiang Feng, Yury V. Kolen’ko, Dehua Xiong, Lifeng Liu, Stefan Blügel, Rafal E. Dunin-Borkowski
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003479
魏现奎，目前为德国于利希研究中心研究员。2011年于中科院物理所获得理学博士学位，毕业后分别在瑞士洛桑联邦理工学院及德国于利希研究中心开展球差矫正透射电子显微学的相关研究工作。
截至目前，在以“极性超显微”为兴趣核心的铁电压电、静电储能反铁电、多铁性以及能源催化材料等相关研究方向发表SCI论文30余篇，其中以第一及通讯作者发表论文16篇，包括Nat. Commun. (2篇), Adv. Mater. (2篇)， Nano Energy (1篇), ACS Appl. Mater. Interfaces (2篇)等。研究成果曾被Nature Review Materials、Nature materials、Phys.org、Techonology.org、Innovations Reports、R&D 等多家媒体广泛报道。
Q：这项研究的最初动机是什么？或者说想法是怎么产生的？
A：作为一个有物理学背景的研究者，如何开展电催化能源材料的交叉学科研究，是摆在我面前的第一个问题。通过大量文献调研，我有两个发现：（1）开展能源材料的电子显微研究是未来探索的重要前沿方向之一；（2）电催化领域的许多电镜表征过于肤浅，从根本上讲，并没有从更深层次解析材料的微观结构，进而对材料的相关电化学行为或性能进行深度解析。其中一个最具代表性的问题就是：在一个化合物中元素的价态分别是多少？Ni2P就是这样一个体系，当问到自己这个问题的时候，我发现问题的答案是不唯一的。这个过于平庸却又似是而非的好奇，本能地成为了我研究开始的原动力。
A：说到挑战，其中之一还是跟元素价态有关，那就是极性对称方程的建立。我们可以很轻松的给出一组满足电中性规律的价态组合，但是当指认到特定结构中的原子时，我发现原子的配位关系是一个无法逾越的障碍，特别是对这种有复杂配位的情况。所以，极性对称方程的建立是漫长的。其中之二是磷元素的价态测定。借助EELS及对XPS大量数据的分析，最终发现实验上测得的元素价态范围与极性对称方程的物理解具有完美的一致性。原来简单的方程，也可以有如此的美。
A：首先，这是对金属性拓扑铁电体这一新颖物态的首次界定，需要后续的研究继续开拓对这个领域的认识和了解。第二，在将金属性铁电体纳入拓扑家族的同时，这个发现也为探索新型磁电耦合效应以及非对称超导体中超导电性的起源提供了全新的契机。第三，电催化反应中的能量转移和反应路径应该不会只跟原子的表面结构有关，材料内部的电子及自旋结构同样应该受到重视。
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