中科大校友揭示铁电体材料小漩涡奥秘 | 专访

激情四溢的足球赛中，热情球迷们总会在球场中玩起 “人浪” 的游戏，这种由孤立的点形成 “和谐” 形状的现象，也是物理学家们关注的，例如与人浪很相似的 “波” 现象。集体的力量是无限的，一个人能做一些

激情四溢的足球赛中，热情球迷们总会在球场中玩起 “人浪” 的游戏，这种由孤立的点形成 “和谐” 形状的现象，也是物理学家们关注的，例如与人浪很相似的 “波” 现象。集体的力量是无限的，一个人能做一些事，而一群人能做很多事。

就像我们看大雁，一会儿排成一字，一会儿排成人字，这些队形都是有利于大雁集体迁徙的。而如果原子、电子以某种形式或在某种条件下，一起参与集体运动，新的现象就可能发生。

近几年，在凝聚态物理学中新兴了一个研究方向 ——“集体动力学”，专门研究微小尺寸粒子的 “集体运动”，探求其背后的物理机制。

其中，有关磁涡旋和斯格明子的研究，不仅拓宽了我们对于多体物理学的理解，还为数据处理和存储技术指明潜在应用方向。

可以说，在当下这个高速高带宽世界，我们一直都需要处理和存储信息的新方式。最近几十年来，数据存储设备的主体，主要是半导体和磁性材料。

但是，研究人员们已经转向铁电材料，这是一种能用电操纵的晶体。2016 年，科学家在材料结构中发现了极性涡旋，这是一种螺旋形的原子团，它让铁电学的研究变得更加有趣。

就在最近，中科大校友、美国阿贡实验室 X 射线科学部（XSD）的物理学家文海丹和合作者，发现了有关涡旋行为的新发现，这些新发现还有望用于快速通用的数据处理和存储。

图 | 文海丹（来源：受访者）

该研究成为当期《自然》杂志的封面故事，研究成果以论文形式发表在 Nature 上，论文题为《极性涡旋的亚太赫兹集体动力学》 （Subterahertz collective dynamics of polar vortices），研究中他主要探索了材料中原子团的超快行为和意义。

图 | 当期《自然》封面（来源：《自然》）

即使材料中的原子团静止不动，这些极性涡旋也存在。而这种新型的螺旋状原子运动不仅能被诱使发生，还可以被操纵。

其表示：“尽管单个原子的运动可能不会太令人兴奋，但这些集体运动共同创造了新的现象，这是 “层展现象” 的一个例子，可能具有我们以前无法想象的功能。”

这些涡流确实很小，大约只有五到六纳米宽，比人类头发的直径还要小数千倍。所以在实验室环境中，根本看不到它们的动态，故此需要通过施加超快电场来激发其行动。

首创采用铁电超晶格结构，并观测到超快集体极化动力学

研究中，文海丹利用太赫兹信号和飞秒 x 射线探测仪器观测到铁电体中的极化涡旋，他和团队首创采用了铁电超晶格结构 ——PbTiO3/SrTiO3 超晶格，并在其中观测到了超快集体极化动力学。

简单地说，该团队采用太赫兹的信号输入，采用匹配的飞秒 x 射线探测仪器观测到了原子集体的运动，并且它们形成了十分玄妙的瞬态图案。

图 | 极性涡旋集体动力学的出现及其实验检测（来源：《自然》）

对于这样的实验，文海丹在接受 DeepTech 采访时用一个形象的比喻描述整个实验过程：“我们过去一直在研究基于太赫兹和铁电体系相互作用的超快现象。太赫兹可以看作一个变化极快的电场，比任何目前的电子线路里的电场都要快。

这就为研究电控超快过程提供了一个有力工具。而铁电材料是可以直接受电场调控的，但是这种调控能在多快时间尺度下实现，有没有个极限，这都是现在大家感兴趣的课题。”

他还表示，自己和团队已经使用同样的手段（太赫兹激发，超快 x-ray 探测）研究过一些经典铁电体系。现在，他们用同样的方法研究了更复杂、也更有趣的纳米涡旋结构。

据悉，这种实验需要用到最先进的实验装置 —— 自由电子激光。这种装置能够提供足够强而且足够短的 x-ray 脉冲，就像抓拍运动员踢球的动作需要超快的快门，拍摄原子运动也需要超快的 x-ray 脉冲作为快门。

先进光子源，能在纳秒级的时间尺度上拍摄这些漩涡的快照，这比比眨眼的速度快一亿倍，但文海丹团队发现这还不够快。他说：“我们知道某些激动人心的事情正在发生，但我们无法察觉。” 

图 | 高频集体模式（来源：《自然》）

文海丹和同事花了很多年研究这些涡旋，首先是在阿贡国家实验室使用先进光子源（APS）的超高照 X 射线。使用先进光子源，团队得以使用激光去创建新的物质状态，并使用 X 射线衍射获得其结构的全面图片。

直到最近才有了自由电子激光的功能，该功能来自美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的 LINAC 相干光源（LCLS）的设计。其还表示：“先进光子源实验帮助我们找到合适的参数，使得在自由电子激光上的实验有的放矢。”

通过使用由伯克利实验室的拉马姆提・拉梅什（Ramamoorthy Ramesh）和莱恩・马丁（Lane Martin）设计的新型铁电材料，该团队能够通过太赫兹频率的电场激发一组原子进行旋转运动，该频率大约比单元中的处理器快 1000 倍。

然后，他们能够在飞秒的时间范围内捕获这些自旋的图像。飞秒是一秒的万亿分之一秒，在这个时间内，光只能传播一个细菌的长度。

图 | 可调涡子模式（来源：《自然》）

此外，他和团队还对比第一性原理的仿真结果，将理论推导和实验结果结合，揭示了太赫兹激励下微观原子的排布及极化涡旋频率。

在铁电超晶格中，文海丹发现的极化涡旋比磁涡旋具有更高振动频率（近太赫兹）和更小的横向尺寸（6nm）。磁涡旋被认为可以应用于存储中，例如向上为 “1”，向下为 “0”，就构成了二进制的最小单元。

但是两个磁涡旋如果靠的很近，则会产生相互干扰，所以当存储元件越做越小、越做越密集时，磁涡旋的尺寸就成了限制的条件。不过，基于更小尺寸的极化涡旋，存储器件当然能做得更小更密集。

对此，文海丹告诉 Deeptech：“这是一群原子的位移形成一个纳米尺度动态涡旋结构，这个全新的可能在未来信息存储上有应用价值。它被太赫兹场诱导也可以看成是一种控制。而虽然这个频段在信息传递方面非常重要，但是目前还没有高效便宜的方式产生和传送太赫兹辐射。”

有望实现高速、高带宽的存储技术

该团队已经看到该成果的可能应用，并且通过温度和应力就可对这些材料进行调整。从信息存储的技术角度来看，文海丹和团队希望利用在这些频率下发生的事情来实现高速、高带宽的存储技术，并且该实验显示了在动态意义上具备做到这一点的可能方法，其速度甚至比我们想象的要快。

他还表示，除了已有的半导体和超导太赫兹器件以外，已有的理论预见铁电体系可能会在微波和太赫兹频段有重要应用，但是实验上一直没有什么进展，由于其发现的频率在亚太赫兹频段，因此该实验在这条路上等于又照亮了一程，他也希望借此激发大家对研究太赫兹铁电器件的兴趣。

不过，尽管科学家对这种运动很感兴趣，但直到实验完成，极涡旋的确切动力学特性仍然不清楚。本次实验结果虽然帮助理论家完善了模型，也为实验观察提供了微观见解。但这一发现也带来了一系列新问题，这些新问题需要进一步的实验来回答，而先进光子源和 LINAC 相干光源的升级将有助于进一步推动这项研究。

目前正在建设中的 LINAC 相干光源 - II，可将其 X 射线脉冲从每秒 120 个增加到每秒 100 万个，从而使科学家能以前所未有的精度观察材料的动力学。另据悉，先进光子源的升级版，将用最新的模型代替当前的电子存储环，该模型将使相干 X 射线的亮度提高多达上百倍，这将使他们可对像这些涡流这样的小物体成像达到纳米分辨率。

1996 年，文海丹从云南大理市下关一中，进入中国科学技术大学物理系就读（962 校友）。后赴美留学，并于 2006 年获得密歇根大学物理博士学位。成为阿贡国家实验室 X-Ray 科学部物理学家之前，他曾在斯坦福线性加速器国家实验室与斯坦福大学担任博士后研究员。

他曾表示，在中科大受到了严格的物理训练，该校郭光灿院士的光子魔术纠缠研讨会曾深深吸引他，后来他加入“量子信息重点实验室” ，并学到了很多量子信息知识。

谈及成为物理家的渊源，他表示，中学时遇到一位非常出色的物理老师王智春，并遇到了几个“科学疯子”式的好朋友。他们谈论了时空、薛定谔方程、霍金…… 他很快被这些花哨的词所吸引，尤其喜欢阅读一本有关狭义相对论和量子力学的入门书。于是便有了后来考入中科大学物理系的后续，再到今天成为一名物理学家。