温度、电场和掺杂驱动的钙钛矿超晶格拓扑相变

许多偶极拓扑结构已在 (PbTiO$_3$)$_n$/(SrTiO$_3$)$_n$ 超晶格中实验证实，例如磁通闭合、涡旋和斯格明子。在本工作中，我们采用深度势分子动力学（MD）在原子尺度上研究 (PbTiO$_3$)$_{10}$/(SrTiO$_3$)$_{10}$ 超晶格——一种支持极性涡旋阵列的材料——对温度和电场的动力学响应。我们的模拟揭示了一个独特的相变序列：随着温度升高，在面内方向从类铁电态转变为类反铁电态再到顺电态。在类铁电态中，我们观察到面内极化的电场驱动可反转切换，伴随着 MD 模拟中涡旋核心的面外运动。在类反铁电区域，极化-电场磁滞回线表现出超顺电特征，几乎无损耗。这种行为归因于由超晶格内的电学和力学边界条件决定的、形成极性涡旋阵列的强恢复力。(PbTiO$_3$)$_{10}$/(SrTiO$_3$)$_{10}$ 超晶格在类反铁电态下还表现出大的面内磁化率和可调性。我们研究了 Pb 掺杂 SrTiO$_3$ 层对超晶格中拓扑结构转变的影响。PbTiO$_3$ 层中去极化场的减弱导致了新的偶极构型，例如 (PbTiO$_3$)$_{10}$/(Pb$_{0.4}$Sr$_{0.6}$TiO$_3$)$_{10}$ 中 $c$ 畴内增大的斯格明子泡，我们通过 MD 模拟量化了它们的热学和电学响应。这些定量的原子级见解将有助于对钙钛矿超晶格进行可控优化以用于各种器件应用。