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Squishing Skyrmions: Symmetry-Guided Dynamic Transformation of Polar Topologies Under Compression

铁电性 拓扑(电路) 拓扑缺陷 空中骑兵 可控性 量子 对称性破坏 缩放比例 对称(几何) 材料科学 物理 凝聚态物理 量子力学 数学 几何学 组合数学 电介质 应用数学
作者
Thomas Linker,Ken‐ichi Nomura,Shogo Fukushima,Rajiv K. Kalia,Aravind Krishnamoorthy,Aiichiro Nakano,Kohei Shimamura,Fuyuki Shimojo,Priya Vashishta
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:13 (48): 11335-11345 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.2c03029
摘要

Mechanical controllability of recently discovered topological defects (e.g., skyrmions) in ferroelectric materials is of interest for the development of ultralow-power mechano-electronics that are protected against thermal noise. However, fundamental understanding is hindered by the "multiscale quantum challenge" to describe topological switching encompassing large spatiotemporal scales with quantum mechanical accuracy. Here, we overcome this challenge by developing a machine-learning-based multiscale simulation framework─a hybrid neural network quantum molecular dynamics (NNQMD) and molecular mechanics (MM) method. For nanostructures composed of SrTiO3 and PbTiO3, we find how the symmetry of mechanical loading essentially controls polar topological switching. We find under symmetry-breaking uniaxial compression a squishing-to-annihilation pathway versus formation of a topological composite named skyrmionium under symmetry-preserving isotropic compression. The distinct pathways are explained in terms of the underlying materials' elasticity and symmetry, as well as the Landau–Lifshitz–Kittel scaling law. Such rational control of ferroelectric topologies will likely facilitate exploration of the rich ferroelectric "topotronics" design space.
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