Phase coexistence and electric-field control of toroidal order in oxide superlattices

铁电性 凝聚态物理 电场 材料科学 相变 涡流 极化(电化学) 超晶格 相(物质) 物理 化学物理 环面 化学 光电子学 电介质 机械 量子力学 等离子体 物理化学
作者
Anoop R. Damodaran,James D. Clarkson,Zijian Hong,Huajun Liu,Ajay K. Yadav,Christopher T. Nelson,S.-L. Hsu,Margaret McCarter,K. D. Park,Vasily Kravtsov,Alan Farhan,Yongqi Dong,Zhonghou Cai,Hua Zhou,Pablo Aguado‐Puente,Pablo García‐Fernández,Jorgé Íñiguez,Javier Junquera,A. Schöll,Markus B. Raschke,Lei Chen,Dillon D. Fong,R. Ramesh,Lane W. Martin
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:16 (10): 1003-1009 被引量:163
标识
DOI:10.1038/nmat4951
摘要

Systems that exhibit phase competition, order parameter coexistence, and emergent order parameter topologies constitute a major part of modern condensed-matter physics. Here, by applying a range of characterization techniques, and simulations, we observe that in PbTiO3/SrTiO3 superlattices all of these effects can be found. By exploring superlattice period-, temperature- and field-dependent evolution of these structures, we observe several new features. First, it is possible to engineer phase coexistence mediated by a first-order phase transition between an emergent, low-temperature vortex phase with electric toroidal order and a high-temperature ferroelectric a1/a2 phase. At room temperature, the coexisting vortex and ferroelectric phases form a mesoscale, fibre-textured hierarchical superstructure. The vortex phase possesses an axial polarization, set by the net polarization of the surrounding ferroelectric domains, such that it possesses a multi-order-parameter state and belongs to a class of gyrotropic electrotoroidal compounds. Finally, application of electric fields to this mixed-phase system permits interconversion between the vortex and the ferroelectric phases concomitant with order-of-magnitude changes in piezoelectric and nonlinear optical responses. Our findings suggest new cross-coupled functionalities. Metal-oxide superlattices were found to possess coexisting phases; a ferroelectric phase and a vortex phase with electric toroidal order. Electric fields interconverted from one phase to another, potentially enabling new functionality.
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