古希臘哲學家德謨克利特（Democritus）是原子唯物論的創立者，他將物質的漩渦和原子視為宇宙的基本組成部分。我們可以在各種尺度上看到漩渦——從螺旋星系，到超導體，再到量子流體。渦旋極大地影響許多材料的性質，包括超導體、鐵磁體和鐵電體。自固體物理學誕生以來，人們就已經知道磁性薄膜中包含周期性相反方向的交替磁化域。但在過去幾十年里，人們才認識到在鐵電體中也存在類似的極化域。鐵電體的固有極化，來源于正負離子在相反方向上的輕微相對移動。在納米尺度上，鐵電體中的離子不僅與外加電場相互作用，還會在材料表面產生電荷而形成大量的內部電場。離子通過這個內部場產生的自我相互作用產生了大量的極化模式——比如漩渦等。直到現在，科學家對這種極化模式的動力學理解很缺乏，均只是推測，還沒獲得相關實驗證明。有鑒于此，美國阿貢國家實驗室的Haidan Wen教授等以一種由堆疊的鐵電薄膜和電絕緣體組成的鐵電超晶格結構為研究對象，利用太赫茲輻射的超短脈沖在超晶格鐵電薄膜中產生渦旋運動，隨后使用超快X射線衍射技術探測了周期性渦旋-反渦旋結構的動力學。第一作者：Qian Li, Vladimir A. Stoica1、借助太赫茲場激發和飛秒X射線衍射等先進實驗技術，首次在皮秒時間尺度上直接誘導和分析極化渦旋的集體運動。2、鐵電材料中電極化渦旋以極高的頻率振動，通過電場可以直接控制該運動，從而實現超快數據處理。在金屬中，表面電荷以與紫外光相對應的頻率振蕩(約1015Hz)，這種集體振蕩被稱為等離激元。類似地，在鐵電薄膜中，縱向模式導致表面電荷以太赫茲頻率振蕩，而集體振蕩可以被認為是極化等離激元。在這樣的薄膜中，當外加電場的頻率低于等離激元振蕩頻率時，介電常數的量為負。令人驚訝的是，當施加電場的頻率趨向于零時，鐵電薄膜中的介電常數仍然是負的，從而產生負電容效應——這一現象有望降低下一代納米電子器件的功耗。使用太赫茲場激發和飛秒X射線衍射技術，在鐵電材料中觀察到極渦旋特有的超快集體極化動力學行為，其頻率比實驗實現的磁渦旋高幾個數量級，橫向尺寸也比實驗實現的磁渦旋小。極化渦旋的集體運動能夠直接在皮秒時間尺度上誘導和分析，作者在0.08?THz探測到一個單一的振動模態，在0.3-0.4?THz探測到一組這樣的模態。研究發現了一種以前未見的可調旋渦模式，以納米尺度原子位移圓形模式的瞬態陣列的形式出現，可在皮秒時間尺度逆轉其渦度。基于第一性原理的原子計算和相場模擬，作者成功揭示了材料中原子的微觀排列，并確證了渦旋模的頻率。此外，研究表明，鐵電體中的電極化渦旋可以在1?THz下振動，這種渦旋的集體動力學為在具有超高速和密度的拓撲結構中進行電場驅動的超快數據處理提供了一個平臺。在過去的十年里，太赫茲半導體器件的發展取得了顯著的進步，其工作頻率范圍介于無線電波和紅外光之間。這些設備的潛在應用包括大量數據的無線傳輸、遠程安全威脅檢測、6G無線技術和非侵入式醫療成像。在該研究中，納米鐵電薄膜中的極化渦旋可以在太赫茲級頻率下振動，這有助于將太赫茲器件縮小到納米級，并實現由電場驅動的高速、高密度數據處理。這些進步可能會極大地促進太赫茲級別光電子學和等離子體學、超快數據交換和新興計算機電路芯片內通信的高速發展。1、Li, Q., Stoica, V.A., Pa?ciak, M. et al. Subterahertz collective dynamics of polar vortices. Nature 592, 376–380 (2021).DOI:10.1038/s41586-021-03342-4https://doi.org/10.1038/s41586-021-03342-42、Nature 592, 359-360 (2021)DOI:10.1038/d41586-021-00887-2https://doi.org/10.1038/d41586-021-00887-2
