Observation of room-temperature polar skyrmions

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作者
Sujit Das,Yun Tang,Zijian Hong,M. A. P. Gonçalves,Margaret R. McCarter,Christoph Klewe,Kayla X. Nguyen,Fernando Gómez‐Ortiz,Padraic Shafer,Elke Arenholz,Vladimir Stoica,S.-L. Hsu,B. Wang,Colin Ophus,Jianfang Liu,Christopher T. Nelson,Sahar Saremi,Bhagwati Prasad,Antonio B. Mei,Darrell G. Schlom,Jorgé Íñiguez,Pablo García‐Fernández,David A. Muller,Lei Chen,Javier Junquera,Lane W. Martin,R. Ramesh
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:568 (7752): 368-372 被引量:378
标识
DOI:10.1038/s41586-019-1092-8
摘要

Complex topological configurations are fertile ground for exploring emergent phenomena and exotic phases in condensed-matter physics. For example, the recent discovery of polarization vortices and their associated complex-phase coexistence and response under applied electric fields in superlattices of (PbTiO3)n/(SrTiO3)n suggests the presence of a complex, multi-dimensional system capable of interesting physical responses, such as chirality, negative capacitance and large piezo-electric responses1-3. Here, by varying epitaxial constraints, we discover room-temperature polar-skyrmion bubbles in a lead titanate layer confined by strontium titanate layers, which are imaged by atomic-resolution scanning transmission electron microscopy. Phase-field modelling and second-principles calculations reveal that the polar-skyrmion bubbles have a skyrmion number of +1, and resonant soft-X-ray diffraction experiments show circular dichroism, confirming chirality. Such nanometre-scale polar-skyrmion bubbles are the electric analogues of magnetic skyrmions, and could contribute to the advancement of ferroelectrics towards functionalities incorporating emergent chirality and electrically controllable negative capacitance.
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