PbTiO$_3$ 中原子位错的双螺旋结构

最近的理论工作预测在受应变的自由悬浮膜中存在一种“偶极螺旋”结构，表明其可能的增强电机械响应路径 [PRL \textbf{133}, 046802 (2024)]。然而，其微观本质、能量景观及电子性质从第一性原理角度仍鲜有探索。本文利用密度泛函理论对受 biaxial 拉伸应变的 PbTiO$_3$ 进行研究，我们发现一种新型极化有序形式：一种手性、非共线的铁电双螺旋。我们发现，Pb 离子和 Ti 离子亚晶体形成两种互相交织的 distinct 螺旋，类似于 DNA 结构。这种拓扑结构通过氧八面体框架的集体螺旋扭转所稳定，这导致一种类似 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用的电场。 resulting 结构可被概念化为一种“自-Moiré”晶体，具有两种耦合功能。首先，它拥有一种旋转伪零能模式，支撑着巨大的 piezoelectric 响应（$e_{33}\approx$16 C/m$^2$）。其次，长周期势能重构了电子能带结构，导致价带边缘出现多阱电子拓扑。我们的工作为设计支持巨型电机械耦合和多阱电子器件的复杂手性有序提供了一条物理途径。