磁电拓扑结构因其独特的稳定性和可操控性，在新一代信息存储和逻辑器件中展现出重要应用前景。在铁电材料中，近年来相继发现了通量全闭合(2015)、涡旋(2016)、斯格明子(2019)、半子(2020)、布洛赫点(2024)和多阶径向涡旋(2025)等多种拓扑结构。然而，现有极性拓扑态多局限于有限的构型自由度，其在多态信息存储方面的潜力仍有待进一步挖掘。
近日，中国科学院金属研究所和松山湖材料实验室等单位的科研人员组成的研究团队在铁电材料中发现了一类全新的三维极性拓扑结构—极性手性浮子(polar chiral bobber)，并系统揭示了其多态稳定性及可控调控机制。相关研究成果以 “Multistate Polar Chiral Bobbers in Oxide Ferroelectrics” 为题，于1月30日在《先进材料》(Advanced Materials)期刊上发表。
研究团队结合相场模拟与像差校正透射电子显微学等手段，在(111)取向的超薄 PbTiO3铁电薄膜中预测并实验证实了极性手性浮子的存在。该结构是一种三维极性拓扑结构，其特征为一个面外极化与周围相反的纳米畴，起始于薄膜表面终止于薄膜内部的布洛赫点，同时在其周围形成面内涡旋态，呈现出类似磁性体系中“浮子”结构的三维极化特征。面内涡旋与面外极化的组合使极性浮子表现出手性。
进一步研究表明，单个极性浮子可表现出八种不同的拓扑态，其差异来源于面内极化旋向(顺时针/逆时针)、面外极化方向(向上/向下)以及其位于薄膜中的位置(上表面/下表面)的不同构型组合。所有八种态在相同外界条件下均表现出良好的稳定性，突破了传统铁电存储中二进制(0/1)编码的限制，为实现高密度、多态非易失性存储提供了新的物理载体。相场模拟还揭示了极性浮子的形成机制：该结构在外延应变和电边界条件约束下经多种变体畴协同竞争产生，并在体系静电驱动力作用下稳定。计算还表明，不同极化浮子态之间可在外电场下实现可逆的低能切换，显示出良好的器件应用潜力。
该研究不仅拓展了铁电拓扑结构的三维形态谱系，也在铁电材料中系统展示了具备多态编码能力的拓扑基元，为新型电子器件应用提供了重要的物理基础和设计思路。同时，该工作也进一步体现了取向工程、应变调控以及原子级分辨电子显微学在发现和理解新型铁电拓扑态中的关键作用。
金属所郭相伟博士(现美国密歇根大学博士后)和松山湖材料实验室邹敏杰副研究员为论文共同第一作者，金属所王宇佳研究员和中国科学院物理研究所/松山湖材料实验室马秀良研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、兴辽英才计划、广东省量子科学战略专项、广东省基础与应用基础研究基金等项目的支持。
