南開團隊發現具有全局拓撲保護的三維鐵電編織網絡

　　【儀表網 研發快訊】　近日，南開大學物理科學學院張國權教授團隊聯合意大利羅馬大學Eugenio DelRe教授、荷蘭格羅寧根大學Beatriz Noheda教授，以及以色列希伯來大學Aharon J. Agranat教授團隊，在鉭鈮酸鉀鋰(KTN:Li)鐵電晶體中發現了一種由自發對稱性破缺形成的三維鐵電編織網絡，并實現了其局域光學調控。該研究揭示了固態鐵電晶體中一種新的拓撲結構形成機制，為發展具有全局拓撲保護的高魯棒性光子存儲、信息處理和神經形態計算提供了新的材料體系。相關成果以“Spontaneous formation and optical manipulation of a woven domain fabric in a ferroelectric crystal”(鐵電晶體中編織疇結構的自發形成與光學操控)為題發表于國際學術期刊《光：科學與應用》(Light: Science & Applications)。南開大學為論文第一完成單位，論文第一作者為南開大學物理科學學院教師辛非非。
 

　　鐵電材料利用自發極化的空間分布編碼信息，是高效電子與光子鐵電存儲器件的重要基礎。其極化狀態可由光場驅動實現讀取、寫入與擦除，使存儲過程具有非接觸、可重構的光學操控能力。近年來，鐵電渦旋、斯格明子等拓撲極化結構因具有拓撲保護而受到廣泛關注。然而，這類結構形成的超晶格本質上仍由局域拓撲單元組成，其拓撲保護局限于各局域單元。相比之下，自然界中的DNA雙螺旋和神經纖維網絡等復雜系統，通過連續交織形成覆蓋整個體系的網絡，其穩定性來源于整體拓撲連通性，而非單個拓撲單元，因此兼具高度的穩定性、容錯能力和結構可塑性。將這種全局拓撲保護機制與鐵電材料的光學可調控特性相結合，有望構建兼具高穩定性和可重構性的仿生光子信息存儲與信息處理平臺。然而，這類由自發對稱性破缺形成的三維編織拓撲結構此前尚未在固態鐵電晶體中被觀察到。
 

　　研究團隊發現，在KTN晶體鐵電相變過程中，當溫度降至居里溫度(19℃)以下約2℃時，規則排列的鐵電疇超晶格會自發演化形成三維鐵電編織網絡。不同于鐵電渦旋、斯格明子等局域拓撲結構，該編織網絡由連續鐵電疇相互交織而成，并貫穿整個體系，具有全局拓撲保護特性。進一步研究發現，編織網絡在不同交叉節點的交織關系具有不規則性，并依賴于網絡的形成歷史，從而賦予其信息編碼能力。基于這一特性，研究團隊實現了對三維鐵電編織網絡的局域光學調控，利用聚焦光場對編織結構進行選擇性重構，實現復雜拓撲狀態的光寫入、光擦除和光重構。全局拓撲保護機制賦予該結構良好的穩定性，而光學調控則使不同拓撲狀態能夠被靈活操控，為構建高魯棒性、可重構的光子信息存儲和信息處理平臺提供了新的途徑。
 

　　上述研究成果拓展了鐵電拓撲結構在信息存儲和信息處理領域的應用邊界，實現了拓撲穩定性與光學可重構性的結合，為發展兼具高穩定性、可重構性的仿生光子信息存儲平臺提供了新的材料體系，并為未來神經形態計算和低能耗信息處理技術的發展提供了新的可能。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。
 

　　引用：南開團隊發現具有全局拓撲保護的三維鐵電編織網絡-綜合新聞-南開大學【引用時間：2026年8月14日】