磁性斯格明子是一种具有准粒子特性的拓扑自旋结构。类比由自旋构成的磁性斯格明子，极性斯格明子由电偶极子构成。2019年美国加州大学伯克利分校S. Das教授、R. Ramesh教授和合作者通过改变外延约束条件，利用原子分率扫描透射电子显微镜，在钛酸锶层包裹的钛酸铅层中发现了室温极性斯格明子，相关研究成果以“Observation of room-temperature polar skyrmions”发表在了Nature上。极性斯格明子具有手性、负电容性、拓扑保护性，且尺寸比较小（几纳米），有望被应用于高性能、低功耗的纳米电子器件当中。在基于极性斯格明子纳米电子器件的开发中，了解外场激励下极性斯格明子的相转变行为，掌握外场激励下极性斯格明子的操控是先决条件。近日，北京大学物理学院高鹏教授团队与合作者利用原位扫描透射电子显微技术（In situ scanning transmission electron microscopy, STEM）实现了对极性斯格明子在外电场下动力学演化与拓扑相变行为的观测，结合相场模拟揭示了极性斯格明子在电场激励下的相变机制与相互作用，为其在下一代纳米电子器件中的潜在应用提供了指导信息。相关研究成果以“Dynamics of Polar Skyrmion Bubbles under Electric Fields”为题，发表于《Physical Review Letters》上。北京大学物理学院量子材料科学中心朱锐雪、浙江大学航空航天学院蒋哲鑫、北京大学与天津工业大学联合指导研究生张欣欣、湘潭大学材料科学与工程学院钟向丽教授为论文共同一作者；湖南科技大学谭丛兵副教授、北京大学高鹏教授、浙江大学王杰教授、中国科学院物理研究所白雪冬研究员为论文共同通讯作者。

原位链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.107601

 研究人员利用原位扫描透射电子显微技术观察了电场驱动下极性斯格明子的演化过程，他们发现斯格明子条在电场作用下会收缩断裂形成斯格明子泡，随着电场强度的增大，极性斯格明子泡会收缩、湮没形成一个普通铁电单畴。与之相反的是，在反向电场作用下，它们会膨胀、融合后合并形成一个单畴。在一个电场周期下极性斯格明子泡、斯格明子条、铁电单畴的演化行为具有可逆性，因此他们认为电场可以用来在室温下调控极性斯格明子，基于极性斯格明子的纳米器件是可以设计的。

      该研究工作在纳米尺度上实现了对外电场驱动下极性斯格明子动力学演化行为的原位观测，证明了利用合适的电场可实现极性斯格明子的生成，擦除以及形状调控，展示了实空间中拓扑单体的可逆转换相互作用以及晶格缺陷的作用，为极性斯格明子的调控和未来的纳米电子器件应用提供了重要信息。

图2 本项研究中利用泽攸科技（ZepTools）的PicoFemto®系列原位TEM-STM样品杆搭建了原位测试环境。

图3 本文中使用的原位样品杆

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