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仪表网 研发快讯】 近日，南开大学物理科学学院张国权教授团队联合意大利罗马大学Eugenio DelRe教授、荷兰格罗宁根大学Beatriz Noheda教授，以及以色列希伯来大学Aharon J. Agranat教授团队，在钽铌酸钾锂(KTN:Li)铁电晶体中发现了一种由自发对称性破缺形成的三维铁电编织网络，并实现了其局域光学调控。该研究揭示了固态铁电晶体中一种新的拓扑结构形成机制，为发展具有全局拓扑保护的高鲁棒性光子存储、信息处理和神经形态计算提供了新的材料体系。相关成果以“Spontaneous formation and optical manipulation of a woven domain fabric in a ferroelectric crystal”(铁电晶体中编织畴结构的自发形成与光学操控)为题发表于国际学术期刊《光：科学与应用》(Light: Science & Applications)。南开大学为论文第一完成单位，论文第一作者为南开大学物理科学学院教师辛非非。
铁电材料利用自发极化的空间分布编码信息，是高效电子与光子铁电存储器件的重要基础。其极化状态可由光场驱动实现读取、写入与擦除，使存储过程具有非接触、可重构的光学操控能力。近年来，铁电涡旋、斯格明子等拓扑极化结构因具有拓扑保护而受到广泛关注。然而，这类结构形成的超晶格本质上仍由局域拓扑单元组成，其拓扑保护局限于各局域单元。相比之下，自然界中的DNA双螺旋和神经纤维网络等复杂系统，通过连续交织形成覆盖整个体系的网络，其稳定性来源于整体拓扑连通性，而非单个拓扑单元，因此兼具高度的稳定性、容错能力和结构可塑性。将这种全局拓扑保护机制与铁电材料的光学可调控特性相结合，有望构建兼具高稳定性和可重构性的仿生光子信息存储与信息处理平台。然而，这类由自发对称性破缺形成的三维编织拓扑结构此前尚未在固态铁电晶体中被观察到。
研究团队发现，在KTN晶体铁电相变过程中，当温度降至居里温度(19℃)以下约2℃时，规则排列的铁电畴超晶格会自发演化形成三维铁电编织网络。不同于铁电涡旋、斯格明子等局域拓扑结构，该编织网络由连续铁电畴相互交织而成，并贯穿整个体系，具有全局拓扑保护特性。进一步研究发现，编织网络在不同交叉节点的交织关系具有不规则性，并依赖于网络的形成历史，从而赋予其信息编码能力。基于这一特性，研究团队实现了对三维铁电编织网络的局域光学调控，利用聚焦光场对编织结构进行选择性重构，实现复杂拓扑状态的光写入、光擦除和光重构。全局拓扑保护机制赋予该结构良好的稳定性，而光学调控则使不同拓扑状态能够被灵活操控，为构建高鲁棒性、可重构的光子信息存储和信息处理平台提供了新的途径。
上述研究成果拓展了铁电拓扑结构在信息存储和信息处理领域的应用边界，实现了拓扑稳定性与光学可重构性的结合，为发展兼具高稳定性、可重构性的仿生光子信息存储平台提供了新的材料体系，并为未来神经形态计算和低能耗信息处理技术的发展提供了新的可能。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
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