磁性斯格明子是一種具有準粒子特性的拓撲自旋結構。類比由自旋構成的磁性斯格明子，極性斯格明子由電偶極子構成。2019年美國加州大學伯克利分校S. Das教授、R. Ramesh教授和合作者通過改變外延約束條件，利用原子分率掃描透射電子顯微鏡，在鈦酸鍶層包裹的鈦酸鉛層中發現了室溫極性斯格明子，相關研究成果以“Observation of room-temperature polar skyrmions”發表在了Nature上。極性斯格明子具有手性、負電容性、拓撲保護性，且尺寸比較小（幾納米），有望被應用于高性能、低功耗的納米電子器件當中。在基于極性斯格明子納米電子器件的開發中，了解外場激勵下極性斯格明子的相轉變行為，掌握外場激勵下極性斯格明子的操控是先決條件。近日，北京大學物理學院高鵬教授團隊與合作者利用原位掃描透射電子顯微技術（In situ scanning transmission electron microscopy, STEM）實現了對極性斯格明子在外電場下動力學演化與拓撲相變行為的觀測，結合相場模擬揭示了極性斯格明子在電場激勵下的相變機制與相互作用，為其在下一代納米電子器件中的潛在應用提供了指導信息。相關研究成果以“Dynamics of Polar Skyrmion Bubbles under Electric Fields”為題，發表于《Physical Review Letters》上。北京大學物理學院量子材料科學中心朱銳雪、浙江大學航空航天學院蔣哲鑫、北京大學與天津工業大學聯合指導研究生張欣欣、湘潭大學材料科學與工程學院鐘向麗教授為論文共同一作者；湖南科技大學譚叢兵副教授、北京大學高鵬教授、浙江大學王杰教授、中國科學院物理研究所白雪冬研究員為論文共同通訊作者。

原位鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.107601

 研究人員利用原位掃描透射電子顯微技術觀察了電場驅動下極性斯格明子的演化過程，他們發現斯格明子條在電場作用下會收縮斷裂形成斯格明子泡，隨著電場強度的增大，極性斯格明子泡會收縮、湮沒形成一個普通鐵電單疇。與之相反的是，在反向電場作用下，它們會膨脹、融合后合并形成一個單疇。在一個電場周期下極性斯格明子泡、斯格明子條、鐵電單疇的演化行為具有可逆性，因此他們認為電場可以用來在室溫下調控極性斯格明子，基于極性斯格明子的納米器件是可以設計的。

      該研究工作在納米尺度上實現了對外電場驅動下極性斯格明子動力學演化行為的原位觀測，證明了利用合適的電場可實現極性斯格明子的生成，擦除以及形狀調控，展示了實空間中拓撲單體的可逆轉換相互作用以及晶格缺陷的作用，為極性斯格明子的調控和未來的納米電子器件應用提供了重要信息。

圖2 本項研究中利用澤攸科技（ZepTools）的PicoFemto?系列原位TEM-STM樣品桿搭建了原位測試環境。

圖3 本文中使用的原位樣品桿