超薄 PbTiO$_3$/SrTiO$_3$ 超晶格中的 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless 相

我们通过第二性原理模拟研究了 (PbTiO$_3$)$_3$/(SrTiO$_3$)$_3$ 超晶格中 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) 相的出现。在拉伸外延应变阈值 $\epsilon = 0.25 \%$ 以上，超晶格内的局部偶极矩被限制在薄膜平面内，因此极化可有效地视为二维的。对偶极-偶极关联随距离衰减的分析，连同对缺陷密度及其随温度分布的研究，支持在有序铁电相（低温下稳定）与超过临界温度 $T_{\rm BKT}$ 出现的无序顺电相之间的温度范围内存在 BKT 相。该 BKT 相的特征是准长程有序（其标志是关联随距离的幂律衰减），以及紧密束缚的涡旋-反涡旋对的涌现，其密度由热激活过程决定。所提出的 PbTiO$_{3}$/SrTiO$_{3}$ 超晶格模型及所施加的机械边界条件在实验上均可实现，为首次实验观测铁电材料中的这些新拓扑相打开了大门。