声子对驱动的铁电性导致零能量畴壁和体相-边界二元性

铁电畴壁在对称性、结构和电子性质上被认为与体相不同，承载着包括导电壁、铁电涡旋、新颖拓扑和负电容在内的奇异现象。与常规理解相反，我们的研究揭示了HfO2中畴壁的结构与其体相非常相似。首先，我们的第一性原理模拟揭示了HfO2体相中所有阴离子声子的玻色子配对支撑了稳健的铁电性。引人注目的是，配对的声子彼此强键合，并在不丧失完整性的情况下成功到达畴壁中心，产生类似体相的畴壁。然后，我们通过像差校正STEM确认了体相声子位移的保持，从而在畴壁处完全恢复了体相结构。新发现的体相与畴壁之间的二元性揭示了先前神秘的性质，如零能量畴壁、完美的伊辛型极性有序以及亚纳米尺度上异常稳健的铁电性。这里发现的声子配对对畴壁等物理边界具有鲁棒性，并实现了零动量和零能量成本的局部铁电翻转。这一在硅兼容铁电体中展示的现象提供了一种新颖的技术平台，其中在畴壁上存储数据与在畴内一样可行，从而扩展了高密度数据存储和先进铁电应用的潜力。