摘要：在凝聚态物理与材料科学广袤的研究范畴中，铁电体居有独特的地位。自被发现以来，铁电性研究呈现出跌宕起伏、潮起潮落的特征，持续吸引着科研人的密切关注。回溯历史，铁电现象的科学认知，始于 1920 年 Joseph Valasek 对罗息盐 (酒石酸钾钠，KNa)

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引子

从晶体对称性理论的视角去分析，铁电体具备空间反演对称破缺的特性，即晶体结构中不存在中心反演操作、且存在特定的极轴。在这一对称性构型下，每个晶胞内原子的特定构型致使正负电荷重心沿极轴方向发生相对位移，进而使晶体在极轴方向产生自发极化、形成电偶极矩。受力学与电学边界条件的约束，材料内部会形成自发极化呈有序排列的局部区域。这些区域即为纳米至微米尺度的铁电畴。从介观层面讲，铁电体几乎所有的功能物性，均与铁电畴对外场的响应紧密相关。因此，介观畴工程，在铁电性能调控的舞台上扮演着核心角色，如弛豫铁电体中畴工程诱发的超高介电储能密度 (Science 2019, 365, 578-582) 和超高压电系数 (Nature Commun. 2016, 7, 13807) 等。

当然，变化总归是有的。凝聚态物理人时常秉持着一种“我命由我不由天”的信念，不断在追求摆脱对称性的禁锢，力图将“不可能变为可能”。自上世纪磁性拓扑结构被发现以来，一个自然而然的问题浮现在铁电人的脑海中：与磁性材料中自旋序参量相似的极化序参量，能否在铁电材料中形成晶格对称性所不允许的极性拓扑结构？

图 1. 典型的铁性拓扑结构示意图。

极性拓扑的前世今生

本世纪初期，众多铁电人使出浑身解数，开始了很多尝试探索，包括第一性原理和相场模拟等方法。从尺寸限域效应出发，首先理论上预测了铁电纳米结构中通量闭合畴和涡旋畴等新奇畴结构的存在，为该领域的发展带来了希望与信心。随后，历经多年不懈努力，铁电人终于从实验上于多种铁电材料中观察到十余种极性拓扑畴或拓扑缺陷形态，涵盖通量闭合畴、涡旋畴、反涡旋畴、半子、斯格明子等。可以看到，这些结构由连续旋转的极化矢量组装而成 (图 1)，呈现了一种连续旋转特性。很显然，这一特性打破了传统晶格对称性的限制，让“不可能”变为了“可能”。此刻，铁电世界便有了新的秩序法则。

在随后的十余年里，极性拓扑畴的研究开始增多，用“雨后春笋般涌现”来描述并不夸张。理论方法和实验技术的迭代，又进一步加速了极性拓扑风暴的传播，让更多科研人参与到这场“盛宴”中来。从早期仅在薄膜局部出现的拓扑缺陷开始，发展到如今能实现均匀有序排列的极性涡旋、斯格明子阵列。而研究体系，从铁电异质结开始，逐步拓展至铁电纳米岛 (图 2)。涉及的材料种类也不断推陈出新，涵盖钙钛矿材料、有机聚合物体系以及二维材料体系等。这些进展不断拓展着该领域的研究边界。

如下，针对几个我们认为较为重要的物理主题，稍微展开一些描述。

图 2. 典型的极性拓扑材料体系，包括 (a) 铁电氧化物异质结和 (b) 纳米结构。

解密极性拓扑设计的“黑盒子”

铁电体中极性拓扑畴的涌现，标志着材料局域对称性的动态重构——自发极化从传统的离散定向排列 (如沿晶轴 或 ) 演化为连续旋转的矢量场分布 (图 3a)。不同于经典铁电理论的双势阱模型，这一转变使其势能曲线因多能量项调控被强制“平坦化”(图 3b)，从而允许极化矢量在任意角度形成稳定态。而要实现这一极化- 自由能曲线的拓扑调控，将铁电极化方向与晶格对称性解耦，关键在于解析铁电材料这一“黑盒子”内部多种能量项的作用。

为了窥得极性拓扑结构设计的普适性准则，解密各个能量项在稳定极性拓扑结构中的“分工”，笔者所在团队对已报道的极性拓扑体系进行了梳理。基于朗道- 金兹堡理论，我们深入分析了静电能、弹性能、各向异性能等不同能量项在稳定极性拓扑畴中的作用。一方面，作为电偶极子的集体排列，铁电畴结构对静电能高度敏感，通过各种内部 (缺陷) 和外部 (电学边界条件) 策略调制静电能来调控铁电畴结构是自然而直接的。而在化学压力、晶格失配和热应变等力学边界条件作用下，体系弹性能的改变也会对晶格和铁电极化产生较大影响，使铁电体系呈现更复杂的畴结构。这一思路，很显然有助于发现非平庸极化构型。与材料力电边界条件相关的静电能和弹性能，已被广泛应用于极性拓扑结构的设计，发展出一系列丰富的内部和外部调控策略。另一方面，通过设计铁电材料的成分或畴结构，降低极化各向异性，可有效调控与对称性直接相关的各向异性能，从而可控构建出极化连续旋转的拓扑畴。

图 3. 极性拓扑设计示意图，包括 (a) 铁电极化由定向排列转变为连续旋转，形成极性拓扑结构和 (b) 相应的极化取向角-自由能曲线变化示意图。

外场调控极性拓扑的变与不变

自理论上预测和实验上观察到极性拓扑伊始，在更多材料体系中寻找新拓扑结构成为过去很长一段时间里铁电人的重要任务。但拓扑物理远不止此，铁电与拓扑的“交织共舞”才刚刚开始。

铁电体的显著特性之一，是其自发极化能在外场作用下实现可逆且非易失翻转，即为外场调控下的“变”。这样的可控变化，是铁电体应用的基础。随着极性拓扑畴研究的不断深入，国内外同行运用电、光、热、力等外场技术，对多种极性拓扑畴在外场作用下的演变过程和机制展开了研究。然而，由于极性拓扑畴的尺寸通常处于纳米量级，目前又缺乏显性和易于测量到的效应量，在实空间中直接观察其在外场激励下的演变行为极具挑战性。

原位电镜技术，凭借其原子级的空间分辨率，在这一主题上首先取得突破而大放异彩。但是，电镜观测对样品尺度有特定要求，使得样品的力电边界条件与真实材料存在差异，观测结果能否准确反映真实材料中的外场激励行为，仍是值得进一步研究的课题。而当极性拓扑结构的尺寸，从铁电异质结中的纳米尺度，增加至铁电纳米结构中的亚微米尺度，我们展望的更多表征手段就有了用武之地。近年来，笔者所在团队和华南师范大学高兴森团队，利用扫描探针技术来观察多种极性拓扑畴及其在外电场下的演变行为，取得良好进展。这种无损探测技术，为介观极性拓扑的研究提供了有益助力。

功能应用的“无中生有”

从发现极性拓扑到调控极性拓扑，物理创新的高度已让人叹为观止，但功能应用的落地才是它真正发挥最大价值的时刻。众所周知，构效关系是材料科学四面体的核心问题。在铁电体中，铁电畴就是决定铁电体性能的独特“基因”。当自发极化从传统的定向排列，变化到形成卷曲缠绕的拓扑单元，它有可能提供传统铁电畴所未及的新特性、新效应。正如大家所期待的一般，新型序构的出现也确实为铁电体带来了一系列新奇物性，进而可能衍生出新功能和新器件。兹列举几个例子：

► 极性涡旋和极性斯格明子核心和畴壁处衍生的稳态负电容效应，可为破解“玻尔兹曼暴政”的负电容晶体管提供新的物理和材料基础。

► 拓扑缺陷处的准一维导电通道和二维导电平面，让超高密度信息存储与逻辑运算成为了可能。

► 涡旋单元协同振动形成的新型声子振动模式，让铁电人也得以迈进太赫兹研究的前沿领域。

► 极性拓扑与常规铁电畴不同的电翻转动力学，也有望应用于具有超高储能密度的介电电容器。

► 极性拓扑衍生的传统无机铁电材料所不具备的光学手性，更是叩开了手性光电子器件探索的大门。

这些“无中生有”的特性极大地满足了人们对极性拓扑的期望，毫无疑问也为极性拓扑的进一步发展注入了一剂强心针。

然而，受限于外场调控机理尚不清晰、材料体系仍然有限等问题，极性拓扑的实际应用还处在道阻且长的泥泞阶段。在“从无到有”的问题解决之后，如何真正解决“从有到用”将会是现阶段的一大难题。为了解决这一难题，未来需要在新材料的开发(包括与现有 CMOS 工艺兼容的铁电体)、新物理图像的解构以及器件制备技术的创新等方面开展更为深入的研究工作。

图 4. 极性拓扑材料和器件研究总结。

铁电拓扑研究的本质，是对铁电体序构自由度的重新定义。从对称性破缺到拓扑保护，这一领域不仅深化了对电极化序参量的理解，更推动了量子材料从“性质发现”到“功能创造”的转变。正如朗道所言：“对称性决定可能性，涨落选择现实性”。在铁电与拓扑的共舞中，我们可能正在见证铁电物理的又一次变革。

近期，笔者所在团队对极性拓扑领域相关研究进行了梳理和总结，以“Polar topological materials and devices: Prospects and challenges”为题发表于《Progress in Materials Science》期刊。论文涵盖了极性拓扑结构的设计准则，总结了拓扑材料体系、多场操控极性拓扑、新奇物理效应等方面取得的重要突破，剖析了当前研究面临的关键挑战和突出问题，从基础科学探索与工程技术应用双重维度展望了极性拓扑材料的发展前景，指出其在新型功能材料设计与先进器件开发中的战略地位，以期为推动该领域研究向实用化方向发展提供有益参考。

清华大学材料学院博士生韩浩杰是论文第一作者，马静担任论文通讯作者。论文的重要合作者包括清华大学材料学院南策文院士、沈洋教授，昆明理工大学马吉教授，北京理工大学黄厚兵教授、王静副研究员。研究得到国家自然科学基金的支持。

需要提及，本文描述可能多有不周之处，敬请读者谅解。对详细内容感兴趣的读者，可点击文尾的“阅读原文”而御览一二。

Polar topological materials and devices: Prospects and challenges

Haojie Han, Ji Ma, Jing Wang, Erxiang Xu, Zongqi Xu, Houbing Huang, Yang Shen, Ce-Wen Nan(南策文), & Jing Ma(马静)

Progress in Materials Science 153, 101489(2025)

备注：

(1) 笔者之一马静，任职清华大学材料学院长聘副教授。课题组链接：https://www.mse.tsinghua.edu.cn/info/1024/1620.htm。

(2) 小文标题“铁电与拓扑的交织共舞”乃宣传式的言辞，不是物理上严谨的说法。这里用来表达自发极化连续旋转且互相交缠的极性拓扑结构为百岁铁电带来了新生。当拓扑遇上铁电，既是拓扑材料家族的一大补充，又是铁电材料的新机遇，二者同台共舞、相得益彰。

(3) 文底图片和诗词来自编辑 Ising 之手：图片拍摄自江南 (20250417)，主题乃蔷薇科之一类“七姊妹”花。诗词 (20250413) 原本描写“七姊妹”花，放在这里乃是因为这花型酷似铁电拓扑畴？！花瓣上那只蜜蜂，应该是马静团队那些勤奋学生之一。

(4) 封面图片展示了材料中序参量纠缠拓扑的诗意形态，内涵极为开放。图片取自https://scitechdaily.com/revolutionizing-physics-with-a-game-changing-topological-approach/。

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来源：知社学术圈