材料科学：酸化物超格子における極性渦糸の観測

スピン、電荷、軌道、格子の各自由度の複雑な相互作用は、多くのエキゾチックな相や物理現象をもたらす。近年、物質中における電子バンド構造やスピンとスピン軌道結合の相互作用の結果として、複雑なスピントポロジーが出現している。今回我々は、チタン酸鉛とチタン酸ストロンチウムを交互に積層した超格子における電荷と軌道と格子の各自由度間の競合を使うことで、電気分極の複雑なトポロジー、すなわち回転スピントポロジーによく似たナノメートルスケールの渦糸–反渦糸（つまり時計回り–反時計回り）配列を作り出した。走査型透過電子顕微鏡法による極性原子変位の原子スケールマッピングを行ったところ、ほぼ連続的な分極回転を示す渦糸–反渦糸長距離秩序配列の存在が明らかになった。また、フェーズフィールドモデリングによって、さまざまな超格子周期についてこの渦糸配列が低エネルギー状態であることが確認された。この範囲内では、渦糸構造からの大きな勾配エネルギーは、総静電エネルギー（それ以外ではチタン酸鉛とチタン酸ストロンチウムの界面における極性の不連続性から生じるもの）と、エピタキシャル束縛およびドメイン形成に伴う弾性エネルギーの、対応する大幅な減少によって相殺される。こうした観測結果は、双極子スキルミオン、ヘッジホッグ状態などの新しい物質状態の生成や、電気的に制御可能なカイラリティーなどのフェロイック物質における関連した現象に影響を及ぼす。

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