极性斯格明子是一类具有整数拓扑荷的非共线极化织构，因其独特的物性，如局域负电容和非线性光学效应等，及其在下一代电子器件中的应用潜力而备受关注。目前，极性斯格明子主要在PbTiO3/SrTiO3（PTO/STO）超晶格和多层膜体系中被发现。在这些体系中，与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用起关键作用的磁性斯格明子不同，极性斯格明子的形成源于弹性能、静电能和梯度能的微妙平衡。因此，极性斯格明子通常以密堆积的状态形成，近邻斯格明子之间存在较强的相互作用，难以作为独立单元进行操控，限制了其在存储和逻辑器件中的应用。
中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授团队采用相场方法，提出了通过畴工程作为一种有效策略，在单层四方铁电薄膜中创建多种弱关联极性斯格明子状织构[如图1a-c所示]，包括具有正/负拓扑荷的Néel型斯格明子和具有不同手性的Bloch型斯格明子。作者计算了稳定性相图[如图2所示]，并揭示了这些极性拓扑织构在局域电/力加载下的演化特性。该体系实现了对单个Néel型和Bloch型斯格明子的局域擦除和写入，以及对单个Bloch型斯格明子的确定性手性控制[如图1d所示]，证实了极性斯格明子的弱关联性。本工作拓展了极性拓扑织构的存在体系，为基于极性拓扑织构的存储和逻辑器件设计提供了新的方法。
图1：在单层四方铁电薄膜中创建弱关联极性斯格明子状织构的示意图。a 180度柱状纳米畴阵列嵌入铁电薄膜。极性拓扑态可能在柱状纳米畴之间的区域（标记为“interested region Ӏ”）和最初被柱状纳米畴占据的区域（标记为“interested region Ⅱ”）形成。b 引入空间调制的内建场稳定柱状纳米畴，内建场的方向和强度取决于界面环境。c 柱状纳米畴及interested regions的分布。d 示意图：对单个Bloch型斯格明子的局域擦除/写入和确定性手性控制。
图2：基于畴工程策略，在PTO薄膜中形成的平衡极化态。a 稳定性相图。b 在PTO薄膜中间层形成的拓扑荷Q = +1的Bloch型斯格明子（B-SK+）。c 四种主要斯格明子状极化织构的三维结构。
该成果以“Stabilization and Control of Weakly Correlated Polar Skyrmions in Ferroelectric Thin Films”为题发表在国际知名期刊《Acta Materialia》上。该工作由中山大学独立完成，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授与材料学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室陈伟津教授为论文通讯作者，博士研究生任建华为第一作者，该研究工作得到了国家自然科学基金委、广东省磁电物性分析与器件重点实验室以及光电材料与技术国家重点实验室的大力支持与协助。
