Spontaneous Atomic-Scale Polar Skyrmions and Merons on a SrTiO3 (001) Surface: Defect Engineering for Emerging Topological Orders

空中骑兵 极地的 铁电性 原子单位 相变 实现(概率) 拓扑序 曲面(拓扑) 材料科学 物理 凝聚态物理 拓扑缺陷 比例(比率) 相(物质) 拓扑(电路) 电介质 量子力学 几何学 量子 数学 统计 组合数学
作者
Susumu Minami,Yoshitaka Ikeda,Takahiro Shimada
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (12): 3686-3693 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.3c05112
摘要

The emergence of nontrivial topological order in condensed matter has been attracting a great deal of attention owing to its promising technological applications in novel functional nanodevices. In ferroelectrics, the realization of polar topological order at an ultimately small scale is extremely challenging due to the lack of chiral interaction and the critical size of the ferroelectricity. Here, we break through these limitations and demonstrate that the ultimate atomic-scale polar skyrmion and meron (∼2 nm) can be induced by engineering oxygen vacancies on the SrTiO3 (001) surface based on first-principles calculations. The paraelectric-to-antiferrodistortive phase transition leads to a novel topological transition from skyrmion to meron, indicating phase–topology correlations. We also discuss accumulating and driving polar skyrmions based on the oxygen divacancy model; these results and the recent discovery of defect engineering techniques suggest the possibility of arithmetic operations on topological numbers through the natural self-organization and diffusion features of oxygen vacancies.
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