科技日报记者 陆成宽
一项颠覆传统认知的发现，或将重新定义未来电子器件的极限。中国科学院物理研究所金奎娟院士、葛琛研究员、张庆华副研究员团队在铁电材料研究中取得突破性进展：他们首次在萤石结构氧化锆薄膜中观测到一维带电畴壁，并实现了对一维带电畴壁的人工操控。这一成果颠覆了人们对于畴壁结构的传统认知，并为开发具有极限密度的人工智能器件提供了科学基础。相关研究成果23日在线发表于《科学》杂志。
铁电材料是一类具有自发极化的特殊晶体，其内部存在许多微小的“电学指南针”——即正负电荷分离形成的极化方向。这些“指南针”可受外电场调控，使铁电材料在信息存储、传感和人工智能等领域具有巨大的应用潜力。材料中极化方向相同的区域称为“铁电畴”，畴与畴之间的边界就是“畴壁”。传统观点认为，畴壁是二维的平面结构，如同魔方不同颜色方块间的界面。
研究团队发现，在具有特殊层状晶体结构的萤石类铁电材料中，铁电极化被限制在分离的极性层内，从而使得原本二维的畴壁有望收缩为一维的线性结构。为了验证这一猜想，他们采用激光法制备出自支撑的萤石结构氧化锆薄膜，并利用先进的电子显微镜进行原子尺度观测。
实验不仅证实了一维带电畴壁的存在，还揭示其厚度与宽度仅为埃米级别（约为头发直径的数十万分之一）。研究指出，畴壁处聚集的过量氧离子或氧空位，充当了电荷补偿的“胶水”，稳定了这类带电结构。此外，团队还通过电子辐照产生局部电场，成功实现了对一维畴壁的产生、移动与擦除的人工调控。
据悉，这项研究突破了对畴壁维度的传统认识，为在原子尺度设计新型功能结构提供了新思路，预示着未来可以在比现有技术小得多的尺度上，精准控制一维畴壁的生成、移动与擦除，从而实现高效率的模拟计算。这为开发存储密度接近物理极限、性能更强的人工智能器件奠定了理论基础。
（中国科学院物理研究所供图）
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