Local negative permittivity and topological phase transition in polar skyrmions

空中骑兵 介电常数 电介质 凝聚态物理 电场 铁电性 相变 超晶格 拓扑(电路) 材料科学 极地的 物理 光电子学 量子力学 数学 组合数学
作者
Sujit Das,Zijian Hong,Vladimir A. Stoica,Mauro A. P. Gonçalves,Yu‐Tsun Shao,Eric Parsonnet,Eric J. Marksz,Sahar Saremi,Margaret R. McCarter,Armando Reynoso,Christian J. Long,Aaron M. Hagerstrom,D. Meyers,Vishal Ravi,Bhagwati Prasad,Hua Zhou,Zhan Zhang,Haidan Wen,Fernando Gómez‐Ortiz,Pablo García‐Fernández
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:20 (2): 194-201 被引量:166
标识
DOI:10.1038/s41563-020-00818-y
摘要

Topological solitons such as magnetic skyrmions have drawn attention as stable quasi-particle-like objects. The recent discovery of polar vortices and skyrmions in ferroelectric oxide superlattices has opened up new vistas to explore topology, emergent phenomena and approaches for manipulating such features with electric fields. Using macroscopic dielectric measurements, coupled with direct scanning convergent beam electron diffraction imaging on the atomic scale, theoretical phase-field simulations and second-principles calculations, we demonstrate that polar skyrmions in (PbTiO3)n/(SrTiO3)n superlattices are distinguished by a sheath of negative permittivity at the periphery of each skyrmion. This enhances the effective dielectric permittivity compared with the individual SrTiO3 and PbTiO3 layers. Moreover, the response of these topologically protected structures to electric field and temperature shows a reversible phase transition from the skyrmion state to a trivial uniform ferroelectric state, accompanied by large tunability of the dielectric permittivity. Pulsed switching measurements show a time-dependent evolution and recovery of the skyrmion state (and macroscopic dielectric response). The interrelationship between topological and dielectric properties presents an opportunity to simultaneously manipulate both by a single, and easily controlled, stimulus, the applied electric field. Polar skyrmions are topologically protected structures that can exist in (PbTiO3)n/(SrTiO3)n superlattices. Here, it is shown that they have negative permittivity at the surface, and that they can undergo a reversible phase transition with large dielectric tunability under an electric field.
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