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????近日，清華大學(xué)材料學(xué)院南策文院士、沈洋教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊首次在鐵電聚合物中發(fā)現(xiàn)渦旋極性拓?fù)湫挛飸B(tài)，并展示了渦旋極性拓?fù)鋵?dǎo)致的空間周期性太赫茲吸收現(xiàn)象。該研究工作豐富并深化了極性拓?fù)湮飸B(tài)的內(nèi)涵和外延，為柔性鐵電材料中的拓?fù)湮飸B(tài)調(diào)控開辟了新范式，也為柔性電子器件中的多場激勵轉(zhuǎn)換提供了新的設(shè)計思路。

????序參量在實(shí)空間中的渦旋性組裝是近年來的凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的前沿問題，相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如磁性斯格明子、極性渦旋、極性斯格明子等已在氧化物體系中被系統(tǒng)性地研究與報道。然而到目前為止，聚合物材料中的相關(guān)研究仍為罕見。通過制備鐵電聚合物P(VDF-TrFE)的取向單晶薄膜，南策文、沈洋所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊在受應(yīng)變的聚合物單晶中觀察到了具有顯著渦旋序的極性拓?fù)?，解析了鐵電聚合物居里相變過程引入的雙軸拉伸應(yīng)變對渦旋序的促進(jìn)作用。聚合物材料具有獨(dú)特的主鏈旋轉(zhuǎn)自由度，拉伸應(yīng)變的引入將減少各旋轉(zhuǎn)角度的自由能差異，可促進(jìn)主鏈與極化在空間中的連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而誘導(dǎo)渦旋序在聚合物晶體中的產(chǎn)生。基于聚合物分子共振吸收的各向異性，研究中提出并驗(yàn)證了聚合物單晶中的高分辨空間周期性太赫茲吸收，可為太赫茲光柵與空間光調(diào)制器的設(shè)計提供材料基礎(chǔ)。

鐵電聚合物薄膜（左）展現(xiàn)渦旋極性拓?fù)洌ㄖ校┡c空間周期性太赫茲吸收（右）

????此外，傳統(tǒng)的鐵電聚合物極化響應(yīng)理論認(rèn)為聚合物的鐵電響應(yīng)主要源于主鏈旋轉(zhuǎn)帶來的偶極子轉(zhuǎn)動，而在平行于主鏈的方向則沒有鐵電響應(yīng)。由于取向聚合物單晶薄膜中具有垂直于膜面的聚合物主鏈取向，該研究工作確認(rèn)了薄膜在平行于主鏈方向仍具有顯著的鐵電、壓電、介電響應(yīng)。相關(guān)結(jié)果進(jìn)一步豐富并深化了人們?yōu)榫酆衔锏蔫F電響應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識。

鐵電聚合物中平行于主鏈方向的鐵電（左上）、壓電（右上）、介電（下）響應(yīng)

????3月5日，上述研究工作以《應(yīng)變鐵電高分子中的渦旋極性拓?fù)洹罚═oroidal Polar Topology in Strained Ferroelectric Polymer）為題，在線發(fā)表于《科學(xué)》（Science）期刊?！犊茖W(xué)》期刊同期配發(fā)題為《極化的旋轉(zhuǎn)和渦旋》（Whirls and Swirls of Polarization）的觀點(diǎn)文章。文章作者美國加州大學(xué)伯克利分校教授萊恩·馬?。↙ane Martin）對該工作的背景進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對其意義給予了高度評價，稱“研究代表了一片材料結(jié)構(gòu)設(shè)計廣闊空間的開始，將在復(fù)雜材料中體系中誘導(dǎo)出新奇的介電、光學(xué)等物性”。

清華大學(xué)材料學(xué)院2016級博士生郭夢帆為本論文的第一作者，沈洋教授與南策文院士為論文的共同通訊作者。清華大學(xué)材料學(xué)院林元華教授、王軻副研究員、易迪助理教授、李千助理教授、馬靜副教授、徐賁助理研究員，美國賓夕法尼亞洲立大學(xué)陳龍慶（Long-Qing Chen）教授，澳大利亞臥龍崗大學(xué)張樹君教授，北京理工大學(xué)黃厚兵副教授，北京大學(xué)高鵬研究員，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室約瑟夫·斯特扎爾卡（Joseph Strzalka）博士為本研究提供了重要幫助。本工作的開展獲得了國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、國家杰出青年基金、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的大力支持。

????論文鏈接：

????https://science.sciencemag.org/content/371/6533/1050