新拓扑相的发现可能会导致纳米技术的激动人心的发展

剑桥大学的研究人员在二维系统中发现了一个新的拓扑相，可以作为探索纳米级器件拓扑物理的新平台。

石墨烯等二维材料已成为物理学和材料科学中广泛现象的实验发现和理论理解的平台。除了石墨烯之外，还有大量的二维材料，它们都具有不同的物理特性。这对于纳米技术的潜在应用很有希望，通过使用不同的二维材料或不同层的堆叠组合，可以在设备中实现广泛的功能。

最近发现，在诸如六方氮化硼 (hBN) 等对称性不如石墨烯的材料中，当一层在另一层上滑动并破坏对称性时，会发生铁电性。铁电性是材料的电偶极矩随电场的转换，这是信息处理和记忆存储的有用特性。当二维材料相互扭曲时，它们会形成一种美丽的干涉图案，称为莫尔超晶格，可以从根本上改变物理特性。当 hBN 和类似材料被扭曲时，不同的堆叠区域会被极化，从而形成规则的极域网络，这 也被证明会导致铁电性。

在Nature Communications 报道的 这项 新研究中，来自剑桥卡文迪什实验室和比利时列日大学的研究人员发现，每个人都在研究的这些极域还有更多内容：它们本质上是拓扑结构的，形成了被称为 merons 和 antimrons 的物体。

“扭曲系统中的极化指向平面外方向，也就是说垂直于层，”第一作者 Daniel Bennett 博士说，他在卡文迪什实验室开始了这个项目，现在在美国哈佛大学工作.

“我们发现，由滑动或扭曲引起的对称性破缺也会导致面内极化，其强度与面外极化相似。面内偏振形成一个美丽的矢量场，其形状完全由层的对称性决定。”

面内极化的发现表明二维扭曲系统的电学特性比以前认为的要复杂得多。更重要的是，结合偏振的平面内和平面外部分，该团队意识到这些扭曲双层中的偏振在拓扑上是非平凡的。

“在每个域中，极化场绕半圈旋转，形成一个称为 meron(半个 skyrmion)的拓扑物体，”卡文迪什实验室的 Robert-Jan Slager 博士说，他的团队参与了这项研究。“在整个扭曲层中，形成了一个强大的 merons 和 antimons 网络。”

“在物理学中，大多数事物都可以用能量来理解，”贝内特说。“大自然是懒惰的，喜欢以最有效的方式做事，通过最小化系统的能量来做到这一点。”

材料将采用的相通常是能量最低的相。然而，拓扑相和拓扑性质不是由能量学决定的，而是由系统的各种对称性决定的。一个系统的物理特性，例如它的电场或磁场，可以形成复杂的结构，这些结构由于对称性而被迫缠绕或打结。

“解开这些结的能量成本非常高，因此这些结构最终非常坚固，”斯莱格说。“能够创建、销毁和控制这些拓扑对象非常有吸引力，例如在拓扑量子计算领域。”

为了做到这一点，研究人员未来的目标是更好地理解拓扑极化，并为他们发现的极性 merons/antimons 可以被控制的设备开发概念验证，或者导致令人兴奋的新物理现象。

该项目由 Bennett 在剑桥卡文迪什实验室攻读博士学位期间发起，之后他搬到比利时列日大学，在那里他与铁电专家 Philippe Ghosez 教授和 Eric Bousquet 博士继续这项研究。

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