SrTiO3薄膜中应变诱导的铁电相变：经典-量子交叉的突破性发现

研究人员通过原位应变调控和X射线技术，揭示了SrTiO3薄膜在应变诱导下从顺电到铁电的可逆相变机制。研究发现，随着温度降低，体系从经典相变（临界指数β≈0.5）过渡到量子主导区域（β≈1.5），证实了量子临界点（QCP）的存在。该工作为低维量子材料中应变工程提供了新范式，发表于《Nature Communications》。

　　

在量子材料领域，如何通过非热力学手段调控物态始终是核心挑战。SrTiO₃作为典型的"量子顺电体"，其铁电序的起源长期存在争议——究竟是位移型相变（displacive transition）还是无序-有序型（order-disorder）转变？传统块体材料仅能承受0.1%的应变，而薄膜技术为突破这一限制提供了可能。

斯坦福大学和韩国科学技术研究院等机构的研究团队利用20 nm厚SrTiO₃自支撑薄膜，首次实现了>1%的可逆应变调控，并结合X射线衍射（XRD）和Ti-K边X射线线性二色性（XLD）技术，绘制出完整的应变-温度相图。研究发现：1）应变诱导的铁电序呈现位移型特征，排除了预成核极化纳米畴的存在；2）临界应变ε₀(T)随温度降低而减小，量子涨落在低于100K时显著增强铁电序；3）临界指数β从高温区0.5（经典行为）增至低温区1.5（量子主导）。该成果发表于《Nature Communications》，为量子材料应变工程建立了新标准。

关键技术包括：1）脉冲激光沉积（PLD）制备SrTiO₃/Sr₂CaAl₂O₆异质结薄膜；2）聚酰亚胺支撑的悬空膜应变装置（最大应变20%）；3）同步辐射XRD（11.212 keV）和Ti-K边XLD（4.97 keV）原位联用技术。

【结果】

1. 可逆应变控制：20 nm薄膜在40K下实现ε_a>1%的弹性应变循环，Poisson比v=0.34显著高于块体材料（v=0.22）。XRD显示(002)、(202)峰位移动可逆，证实晶格响应弹性。

2. 应变诱导铁电序：E//a偏振的Ti-K边前驱峰（4970.8 eV）强度随应变增加，而E//c谱不变，证明铁电极化沿应变方向（a轴）。通过偶极矩计算得到Ti位移δ_Ti=2.01 pm，O位移δ_O=7.30 pm。

3. 临界行为演化：拟合XLD强度与应变关系发现，β从100K的0.93增至40K以下的1.5，对应量子涨落增强区域。相边界符合幂律关系T_c∝[ε_a-ε₀(0)]^1/Δ，推测量子临界应变ε₀(0)=0.019%。

【讨论】
该研究明确排除了无序-有序相变模型（预成核畴δ_Ti<0.7 pm），支持位移型相变机制。量子涨落效应在低于100K时显现，与介电常数T²依赖关系的异常起始温度一致。虽然理论预测需考虑线性-二次应变耦合（Landau理论），但增大的β值暗示有效维度增加（d+z理论）。研究还展示了La_0.7Ca_0.3MnO₃等氧化物薄膜的普适应变调控能力，为柔性量子器件开发奠定基础。

这项突破不仅解决了SrTiO₃铁电序的微观机制争议，更建立了低维量子材料应变调控的通用平台。未来可拓展至超导、磁阻等量子态调控，推动可穿戴量子器件发展。