我们周围的世界似乎混乱且不可预测，但这并非完全正确。 各种过程是某些物理或化学现象从一开始就遵守不变定律的结果。 人类的好奇心使我们能够回答许多问题，以了解发生的方式，原因和原因。 对于科学家来说，在研究过程中获得至少一点惊喜变得越来越困难。 但是，我们对所有事情都不了解，而且对一切的了解也远非如此。 在歌词的旁边，今天我们将熟悉一项研究，一组科学家在他们的设计材料中发现了极性天rm石的手性。 这有什么不寻常的地方，这些天体与磁性天体有何不同？为什么科学家对研究这种现象如此感兴趣？ 我们将在研究小组的报告中找到这些和其他问题的答案。 走吧
学习基础
首先，值得回忆一下什么是天麸罗以及与之一起食用。 早些时候，我们已经在之前的文章中谈到了天花的主题：什么是磁天文？首先，值得回顾的是，用简单的话来说，具有电子自身磁矩的磁性材料原子的行为就像磁体一样。 当一种物质被磁化时，原子的自旋以某种方式排列，这使该物质成为磁体。
2009年，研究人员发现了单个原子的一个非常迷人的特征。 他们的背扭成漏斗状（漩涡状）。 为了纪念英国物理学家托尼·斯凯姆（Tony Skyrme），他采用了类似的结构，称其为1962年描述了涡旋自旋的数学模型。
图像a-skyrmion“刺猬”，b-螺旋skyrmion。IT用于天体的重要特征之一是其拓扑稳定性。 最重要的是，任何干扰都可以改变旋转的方向，但是扭曲将保持不变。 因此，您可以以二进制形式存储信息：0-没有skyrmion，1-有skyrmion。 考虑到这种结构的纳米尺寸，信息的存储密度也可以显着提高。
从该信息出发，还假设存在抗天敌离子，其拓扑电荷将与普通天敌离子相反。
二维自旋结构具有非平凡的拓扑结构，这是其一定程度的稳定性的原因。 这种结构的特征是拓扑电荷：
其中
m = m（r，t）是时空中磁矩的方向向量。
天秤离子
（q = 1 ）和反天秤离子（
q = -1 ）具有相反的电荷，如果发生均质态的变形（
q = 0 ），则可以成对出现。 如果核心被认为是静止的，则可以近似地描述天体和抗天体的动力学，这减少了描述它们运动所需的变量数量。
下面的公式描述了响应施加的力（F）的天体和抗天体的核心（X）位置的阻尼回旋运动：
G等于-qG0z，是一个陀螺矢量；
α是衰减常数；
D0是结构因素。上式中的动力学是非牛顿性的，因此，回旋响应取决于q并决定了核运动的方向。
在这里值得澄清：极空中的离子是由相反电荷即偶极子组成的拓扑结构。
最有趣的特征是，这些极性天rm气泡是磁性天rm的电气类似物，而不是磁性天rm。 极好的天体离子研究得越好，我们将拥有更多的操纵它们的工具，因此，控制手性甚至负电容的工具也就越多。
自旋电子学和天体电子学领域的研究正在积极考虑精确地磁性天体离子。 但是，没有获得这种荣誉的极光天敌。
科学家如何得出我们今天正在考虑的发现？ 事实是，复杂的拓扑结构是研究和搜索其中出现的现象和奇异阶段的好地方。 科学家们通过改变外延限制条件，在室温下在钛酸铅（PbTiO
3 ）的两面都涂有钛酸锶（SrTiO
3 ）层，换句话说，在异质结构（PbTiO
3 ）
n /（SrTiO
3 ）
n中发现了极性的天生离子囊泡。
该研究背后的理论是，通过弹性，静电和梯度能的相互作用，很可能在
铁电体中获得纳米域气泡和类似天rm离子的拓扑结构。
铁电性 （或铁电性 ）*是即使没有外部电场，在一定温度下晶体中的自发极化现象。
铁弹性体称为单晶物质，其晶格会随着温度和相变的降低而自发变形。
用于研究的样品[[（PbTiO
3 ）n /（SrTiO
3 ）
n ]
m （n = 12–20，m = 1–8）]是通过钛酸锶（SrTiO
3 ）通过单脉冲激光喷涂共在单晶衬底上制成的。快速电子的衍射。
通过RSM映射对拓扑进行分析（上方）显示具有强度分布的环形成（图像
b和
d ）。 在相互空间中这种拓扑现象的表现可能是由于铁电纳米域。
同样，RSM分析表明三层结构和SrTiO
3衬底的拓扑结构匹配，其中环的大小及其在（
g ，
h ）平面上的宽度几乎相同。 在这种情况下，观察到与先前在DyScO
3 （
e ，
f ）上观察到的周期性涡旋纳米域有很大差异。
有必要找出这种衍射图的来源，为此应用了TEM（透射电子显微镜）的可视化方法。
图片编号1三层（m = 1）的TEM图像 研究的异质结构和超晶格（m = 8）分别显示在图像
1a和
1b中 。 从它们中，我们可以看到长度约为8 nm的强度调制，表明形成了反向平行的极性区域。
通过三层的SEM图像（透射扫描电子显微镜），可以确定是否存在圆形（直径约8 nm）和长方形元素（
1c ）的混合物。 但是在超晶格中，只有圆形元素数组（
1d ）占了上风。
科学家们认为，这种拓扑结构是非常不寻常的，因为畴壁沿许多平面方向被划分为许多更近的区域，从而形成了明显的圆形和细长元素。 以前，这没有被观察到。
插图（右上角分别为
1s和
1d ）显示了经过快速傅立叶变换后的X射线图像，该图像清楚地显示了四个具有旋转对称性的叶，即具有非相似的偏振旋转。
然后，科学家进行了一系列数学计算，以确认观察到的拓扑与磁性天sky非常相似，并且具有准确且可定义的天rm数。 计算表明，局部电偶极子在PbTiO
3和SrTiO
3 （
2a和
2b ）的界面处不断地进出平面旋转。
图片编号2在PbTiO
3层的上部和下部，偶极具有平面极化，该极化将发散极化的上部区域和会聚的下部极化区域连接起来（
2c ，
2e ）。 在PbTiO
3层（
2b ，
2d ）的中间x-y平面也观察到了自旋极化的压缩。
通过对PbTiO
3 / SrTiO
3 （
2c ，
2e ）上下界面的极化织构进行分析，可以揭示刺猬型天敌，但在PbTiO
3层内部发现了螺旋型天敌（
2d ）。
科学家还确定了极化纹理，其中本地阶参数的旋转为零，但在上平面（
2c ）中存在正发散（矢量朝外）。 在下面的平面中，出现相反的情况（
2e ）：存在一个负偏差（矢量向内定向）。 在中间层中，平面极化分量仅由与畴壁平行的分量体现出来，就像普通的螺旋形天空粒子（
2d ）一样。
从这些观察结果中，科学家得出结论，极性天体的三维气泡是沿着薄膜法线的二维天体的一种演化：分别从PbTiO
3层的顶部到底部，从“刺猬”的天体到螺旋，再到刺猬。 这些拓扑结构尽管不断演变，但仍保持等效，因为它们可以由于连续变形而相互转化。
研究具有异常特性的异常样品的下一步是研究天蝎子气泡的原子结构。 为此，进行了极化映射（图像
3 ）。
图片编号3钛的位移矢量在较早获得的图像中的映射表明，在一个天蝎子气泡周围存在微观位移场。 对应于这些数据的矢量图（
3a ）显示了钛的反向偏压从边缘向中心移动的区域，该区域类似于“刺猬”天蝎子的结构。
在横截面（
3b ）中，具有反平行（上下）极化的圆柱形极性区域清晰可见。 偏振矢量在PbTiO
3 / SrTiO
3界面附近的边界处旋转，这与图像
3a中观察到的偏振差异一致。 通过组合两种类型的图像（二维图像和横截面图像），科学家发现了PbTiO
3层上部的结构相似。
使用[（PbTiO
3 ）
16 /（SrTiO
3 ）
16 ]
8超晶格的4D-PEME分析，使用概率流（
3e ）获得（
3d ）图像和极坐标图。 为了确认观察结果，科学家对通过图2所示模型的结构进行的光束传播进行了仿真。 仿真结果显示在
3f和
3g上 。
所有这些观察结果表明形成了一个极空中天敌结构，其组成与刺猬结构相似，其中极化方向从天敌的中心到边缘从上到下旋转。 极性结构的上部和下部极化的发散和会聚旋转类似于铁磁体中的Néelskyrmions的自旋结构。 根据科学家的说法，这种结构应具有非标准特性，例如手性和零Skyrmion数。
有必要验证为什么对超晶格[（PbTiO
3 ）
16 /（SrTiO
3 ）
16 ]
8的X射线辐射进行共振衍射。
图片编号4根据模拟的结构（图像2），沿着每个PbTiO
3层中心平面中的任何方向的假想线仅与Bloch畴壁相交，结果局部极化显示出沿该线的螺旋旋转。 相似的螺旋偏振纹理几乎与极性涡旋阵列中发生的配置相同。 因此，这应该导致来自手性电子结构的相似的二向色性信号。
RSM研究表明存在两个排序集（
4a ）。 首先，沿着平面外的方向，存在与超晶格平面外的周期性相关的规则峰（约12 nm）。 其次，在垂直或平面方向上有卫星峰（其中一个在
4b处 ），对应于极性结构的平面排序（大约8 nm）。 由于X射线能量是通过钛L
3和L
2的吸收边缘进行调谐的，因此卫星衍射峰的强度对周期性畸变敏感，特别是对各向异性钛轨道的手征性敏感。
通过用左右圆偏振光（
4c ）测量光谱，分离背景荧光（
4d ）并考虑到获得的两个光谱之间的差异（
4e ），科学家测量了X射线圆二色性。 在L
3的边缘存在明显的二向色性表明存在手性结构。 在这种情况下，在超晶格和三层中都观察到了圆二色性。
科学家通过电荷四极矩的手性构型解释了观察到的圆二色性的非磁性性质。
除了上述测量之外，科学家还检查了共振散射强度和圆二色性与横向散射矢量（
4f ）的关系。 从理论上讲，由于违反了沿平面的反演对称性，因此Bloch结构组件的存在应违反Friedel定律。 正是由于这个原因，在镜面衍射峰强度中观察到的不对称性是天敌泡沫中Bloch偏振分量的证据。
总结所有的观察，计算和测量结果，我们可以自信地说，研究的异质结构中存在极性天rm的气泡。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我强烈建议您研究一下
科学家的
报告。结语
这项研究揭示了PbTiO3层中不寻常的Skyrmion结构。 这些天体是电的，而不是磁性的，就像我们以前所说的那样。 此外，它们结合了Neel和Flea的特征。
科学家注意到，这样的三维天体结构与众所周知的二维非常不同。 Skyrmion气泡可以使用电场移动，这可以提供更大的控制力，并且可以使用以前不可能做到的类似结构。
将来，科学家计划在下一个关于超晶格中自旋电荷耦合的研究中使用这项研究。 此类技术的实际应用尚未讨论，因为仍有很多地方需要探索。 一件事很清楚-控制任何材料的结构及其特性，您可以取得令人难以置信的效果。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家工作愉快！
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