A位层状有序钙钛矿中的天然极涡晶体

拓扑物态是一类具有特殊数学不变量（即‘拓扑不变量’）的物质状态，与普通物态截然不同。它们因其高度稳定性，被视为未来人工智能时代理想的微型信息载体。但长期以来，这类非平凡拓扑态往往只能在非平衡条件或依赖外加电场、机械边界等外部约束下才能稳定存在，严重限制了实际应用。尤其在铁电材料中，要形成稳定的极性拓扑结构，通常需要巨大的退极化场来抵消原子尺度上偶极子旋转所引发的强弹性能和梯度能，实现难度极大。尽管学界已做出大量尝试，但在体相铁电材料中获得高度有序的拓扑极性晶体仍是一项重大挑战。本研究取得突破：研究人员在一类A位层序排列的钙钛矿材料（如NaNdMgWO₆）中，首次发现其可自发形成周期仅为4纳米的二维极性‘刺猬’涡旋晶格，整个过程完全不依赖任何外部边界约束。借助先进的扫描透射电子显微镜（STEM）技术，研究团队在实空间直接观测到了这些极性刺猬涡旋，并揭示其物理本质——它源于氧八面体同相与反相旋转的协同调制，而这种调制又由‘杂化非本征铁电性’机制所驱动。理论计算进一步表明，描述氧八面体旋转的声子之间的交换相互作用，是形成这种奇特偶极拓扑结构的主要驱动力。该成果不仅澄清了层序钙钛矿中广泛存在的超结构在构型与起源上的长期争议，更提供了一套普适的设计框架，有望推广至钙钛矿以外的更多材料体系，用于人工构筑新颖的非平凡结构与功能。