Singular stress field induced two-dimensional topological polar structures in SrTiO3: Topological number manipulation via loading modes

拓扑(电路) 压力(语言学) 领域(数学) 物理 极地的 拓扑缺陷 材料科学 凝聚态物理 数学 量子力学 纯数学 语言学 组合数学 哲学
作者
Kohta Kasai,Takayuki Hamaguchi,Yu Wang,Susumu Minami,Hiroyuki HIRAKATA,Takahiro Shimada
出处
期刊:Computational Materials Science [Elsevier]
卷期号:242: 113070-113070 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.commatsci.2024.113070
摘要

Topological structures in condensed matter attract much attention of the scientific community due to their unique and significant properties. In contrast to the well-explored topological spin structures such as meron, and skyrmion in ferromagnetic materials , ferroelectrics face challenges in forming topological polar structures due to the absence of a spontaneous driving force. Nevertheless, the coupling effect between polarization and strain (gradient), e.g. piezoelectricity and flexoelectricity , provides a mechanical approach to induce topological polar structures that reflect the intricate features of the strain (gradient) field. This study demonstrates the creation of a topological polar structure through a mode II crack-induced singular stress field in SrTiO 3 by using phase-field simulations. Furthermore, under mixed-mode loading of mode I and mode II, alterations in the mode ratio induce a variety of topological structures, including a novel structure (winding number n v = 4 ) that is absent under the single-mode loading. Our study demonstrates that topological strain field can be a general and effective tool to generate and control topological polar structures.

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