铁电材料和磁性材料的拓扑结构和缺陷被认为是未来电子学中的功能元素，从而引起了相关领域研究人员的高度关注。在铁电材料和磁性材料中，拓扑结构和缺陷通常包含不同类型的畴壁、电偶极子或磁性自旋形成的其他结构。在磁性材料中，除了传统的畴壁以外，人们还发现了奇特的拓扑结构，例如Skyrmions。纳米尺度Skyrmions在能量上是稳定的，因此在自旋电子学新兴技术中具有潜在应用前景。在铁电体中，人们发现畴壁具有不同于畴体的物理性能，其性质取决于畴壁的精细结构，被认为可用于电子学器件中，如单个纳米涡旋结构（polar vortex)可以通过磁场转换方向而不改变其相邻纳米结构的状态，因此可以记录信息。

近年来，西安交通大学贾春林科学家工作室研究人员利用材料制备及结构分析平台对铁电氧化物薄膜及薄膜中铁电畴壁和拓扑缺陷进行了深入研究。通过定量电子显微技术表征了结构单胞电偶极子（图中箭头）的取向分布。研究发现，在PbTiO₃/SrTiO₃多层异质结构的PbTiO₃膜层中，偶极子的方向明显偏离晶体对称所允许的方向，形成了各种复杂的结构。特别是，此前从未报道过在实验中观察到的纳米尺度拓扑缺陷，包括偶极子波（dipole wave）和偶极子向错（dipole disclination）。美国Arkansas大学Bellaiche教授团队对这些新颖的拓扑缺陷进行了原子尺度模拟，证实并解释了这些拓扑缺陷的存在和性质。

该研究以“Topological defects with distinct dipole configurations in PbTiO₃/SrTiO₃multilayer films”为题，发表在物理学领域旗舰期刊 Physical Review Letters（物理评论快报）上。西安交通大学电信学院高级工程师路璐为第一作者，该工作是在贾春林教授指导下完成的，参加研究工作的还有刘明副教授和王大威教授等。西安交通大学为第一作者和通讯作者单位，合作单位有美国Arkansas大学（Bellaiche教授团队）和德国Juelich研究中心（杜红初和金磊博士）。该工作得到了国家自然科学基金以及国家973项目等经费的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.177601