编辑推荐：
为解决铁电体中高阶可调拓扑电荷结构研究不足的问题，研究人员开展了对高密度 BiFeO3纳米结构中多阶极性径向涡旋及其拓扑转变的研究。结果发现了自组装的二阶铁电径向涡旋等，还实现了拓扑态转变，这对设计高性能多态存储设备意义重大。
在科技飞速发展的当下，信息存储技术的革新至关重要。拓扑态作为下一代信息载体的有力候选者，在磁性和铁电材料领域备受关注。尤其是具有可调制拓扑电荷的多阶拓扑结构，有望实现多态存储，为提高存储密度和功能多样性带来新契机。然而，目前磁性拓扑态的研究较为广泛，而铁电体中新兴的拓扑畴虽有应用前景，但大多集中于低阶极性拓扑结构，高阶可调制拓扑电荷的构型却鲜有人探索，这一空白亟待填补。
为了解决这些问题，来自松山湖材料实验室、浙江大学、湖南科技大学、中国科学院金属研究所等多个国内研究机构的研究人员，开展了关于高密度自组装 BiFeO3（BFO）纳米结构中多阶极性径向涡旋及其拓扑转变的研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的发展提供了重要突破。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是通过脉冲激光沉积（PLD）技术在 (LaAlO3)0.29(SrTa1/2Al1/2O3)0.71（LSAT）衬底上制备 BFO 薄膜；二是利用压电响应力显微镜（PFM）和 aberration - corrected 扫描透射电子显微镜（STEM）对薄膜的极化构型进行观测；三是借助相场模拟探究畴图案演变和拓扑特征。
研究结果如下：
- 铁电二阶径向涡旋的发现：研究人员在高密度 BFO 纳米结构中观察到自组装的二阶铁电径向涡旋。通过 PFM 和 STEM 观测发现，其极化构型呈现出类似甜甜圈的面外（out - of - plane，OOP）极化分布和四象限面内（in - plane，IP）分布，拓扑电荷 Q = 0。这种独特的分布是由退极化场、应变弛豫和电荷积累共同作用形成的。
- 多阶径向涡旋的尺寸依赖稳定性：研究表明，通过调节 BFO 纳米结构的尺寸，可以稳定不同拓扑电荷的多阶径向涡旋。当纳米岛平均尺寸为 100nm 和 200nm 时，形成一阶径向涡旋；尺寸为 350nm 时，形成二阶径向涡旋；尺寸为 400nm 时，形成三阶径向涡旋。相场模拟结果与实验观测相符，进一步证实了这一现象。同时，从理论上分析，Landau 能量、弹性能量和静电能量是多阶径向涡旋形成的驱动力。
- 拓扑态转变：在外部电场刺激下，研究人员实现了不同拓扑态之间的转变。通过施加直流偏置电压，观测到 BFO 薄膜中纳米岛和周围基质区域（SMR）的 OOP 极化分布发生变化，出现了三种拓扑转变类型，且拓扑电荷也相应改变。这表明可以利用拓扑电荷作为数字比特，应用于基于涡旋的多态非易失性存储设备中。
研究结论和讨论部分指出，该研究首次在高密度 BFO 纳米结构中观察到自组装的极性二阶径向涡旋和其他多阶径向涡旋，证实了拓扑态可通过改变 BFO 纳米结构的尺寸进行调节，并且实现了不同拓扑态之间的电场调控转变。这不仅丰富了铁电体中观察到的拓扑结构家族，还为设计高性能多态非易失性铁电存储设备提供了新策略，推动了铁电材料在信息存储领域的发展，具有重要的科学意义和应用价值。
