导读

近日，南京大学物理学院奚啸翔课题组与合作者在新型铁性序的探测与调控方面取得新进展。团队发展了基于圆偏振拉曼散射的实验方法，对1T-TaS₂中由面内镜像对称性破缺导致的铁转序进行灵敏探测，成功实现了两种取向态之间的可控电学翻转，揭示了铁转序的铁性特征。研究成果以“Electrical switching of ferro-rotational order in nanometre-thick 1T-TaS₂ crystals”为题，于2023年5月11日发表在期刊《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。

南京大学奚啸翔教授与魏茨曼科学研究所颜丙海教授为论文的通讯作者。南京大学物理学院博士生刘敢、硕士生邱天宇与何宽鱼为论文的共同第一作者。南京大学温锦生教授课题组提供了高质量二硫化钽单晶样品，高力波教授课题组协助了原子力显微镜测量，刘俊明教授参与了实验结果的讨论。日本国立材料研究所Takashi Taniguchi和Kenji Watanabe课题组提供了氮化硼晶体。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助，以及南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持。

研究背景与亮点

铁性材料是多种突破性技术的基石，涵盖了从逻辑器件、信息存储到能源等领域的广泛应用。该类材料的典型特征是具有多个稳定的取向态，且相互之间可通过外场实现翻转。例如，铁磁体具有磁场可调的磁矩翻转，而铁电体具有电场可调的电极化翻转，为技术应用奠定了基础。近年来，一种破缺面内镜像对称性的新型铁性序，即铁转序（ferro-rotational order），亦称为铁轴序（ferro-axial order），开始受到关注，其取向态对应于正向或反向旋转的晶格畸变。其序参量是在时间和空间反演对称操作下保持不变的轴矢量，因此对电磁场不敏感。该特性阻碍了铁转序的探测和铁转取向态的可控翻转，使其铁性本质受到质疑，同时限制了其潜在的应用。

针对上述挑战，奚啸翔课题组与合作者聚焦于纳米厚度电荷密度波材料1T-TaS₂开展探索，建立了利用圆偏振拉曼光谱对铁转畴进行成像的实验技术，实现了该体系中铁转取向态的电控翻转。尽管理论分析表明铁转序无法与电场耦合，实验却发现电场可诱导铁转畴壁的形成和定向运动，进而导致铁转序的电控翻转。这一发现拓展了人们对外场调控铁性序的传统认识：铁性序取向态的翻转并非必须要求外场与其序参量直接耦合，由外场诱导畴壁的形成和运动即可实现。该结果为铁性序的多场调控提供了新视角，尤其对于研究和操控更多缺乏简单耦合场的铁性序具有参考意义。相关技术可应用于基于铁转序的非易失信息存储和光电传感器件。

论文详情

1T-TaS₂是一种典型的电荷密度波（CDW）材料，具有丰富的电子相图，且物理性质对多种外场敏感。其低温电荷密度波态的关键特征是以13个Ta原子为单元形成的六芒星状团簇。这种团簇的排列破坏了面内镜像对称性，产生两种简并的构型（α和β），满足铁转序的对称性要求，如图1a所示。然而，作为铁性序的普遍特征，两种铁转取向态之间的可控翻转在此前尚未有报道。

为探索铁转序的可控翻转，对铁转序进行灵敏探测至关重要。奚啸翔课题组近期发展了基于圆偏振拉曼散射的实验方法[Phys. Rev. Lett. 129, 156401 (2022)]，实现了对面内镜像对称性破缺（亦称为二维手性）晶格的灵敏表征。将该方法应用于1T-TaS₂，可鉴别公度相（CCDW）与准公度相（NCCDW）所展现的铁转序取向态α和β（图1b, c），且可实现铁转畴实空间分布的光学成像（图1d, e）。

图1.（a）CDW晶格畸变形成的两种铁转取向态；（b, c）利用拉曼光谱鉴别CCDW和NCCDW相的两种铁转取向态；（d, e）铁转畴的拉曼成像图。

基于此，团队发现可通过两种途径（图2a），利用直流电压诱导不同铁转取向态之间的相互转换。途径1：场冷极化，即在样品由非铁转相降温至铁转相过程中施加直流电压，实现取向态的可控翻转（图2b-e）。途径2：等温翻转，即首先通过途径1产生铁转畴壁，其次在等温条件下通过施加直流电压驱动畴壁运动，实现取向态的翻转（图3a, b）。途径2对应的翻转过程依赖于直流电压和温度（图3c-e），且具有高度可重复性（图3f）。将恒流直流电压改为脉冲电压，若脉冲宽度大于10毫秒，也可实现室温下取向态的可控翻转（图3g-i）。

图2.（a）电学翻转的两种途径示意图；（b, c）二电极器件光学照片及区域2拉曼光谱积分值的电压依赖；（d, e）4.5 V和-4.5 V室温拉曼成像图显示铁转畴取向态的翻转。

图3.（a, b）二电极器件光学照片及电压驱动畴壁运动的拉曼成像图；（c）270 K和300 K拉曼光谱积分值随电压的变化；（d）矫顽电压绝对值的温度依赖；（e）± 0.6 V 拉曼光谱积分值随着温度的变化；（f）重复性测试；（g-i）利用脉冲电压驱动铁转取向态翻转。除非特别说明，测量温度为室温。

团队进一步发现，铁转序取向态翻转的过程可对器件电阻产生影响（图4a, b）。场冷极化过程中畴壁只出现在低电势电极一端，且在等温翻转过程中畴壁均沿着电场方向运动，表明电场与畴壁发生作用。结合第一性原理计算，团队提出电学翻转的机理是外加电场作用于畴壁处电荷密度波晶格畸变感生出的局域电偶极子，通过改变局部的畸变来实现畴壁的运动（图4c, d），而电场不与铁转序本身发生耦合。

图4.（a, b）铁转取向态翻转的电学证据；（c）晶格畸变导致电荷重新分布的计算结果，箭头表示局域电偶极子；（d）电场作用于畴壁附近局域电偶极子的示意图。

该工作突破了铁转序取向态难以被外场翻转的认识，为进一步理解其物理机制奠定了实验基础。所建立的实验方法将推动更多具有铁转序的材料体系的发现和研究。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01403-5