IF 38.1！用于光场调控的 BaTiO3 纳米膜中的铁电拓扑结构

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    氧化物中铁电拓扑织构因其特殊的偶极矩排布特性，在非线性空间光场调控中具有理想性能。然而传统铁电极性拓扑结构通常局限于纳米尺度，与激光模式存在显著的尺寸失配。本研究利用自支撑纳米厚度的钛酸钡（BaTiO3）薄膜构建了横向尺寸达微米级的穹顶状铁电拓扑结构，并验证了其光场调控可行性。穹顶状拓扑源于各向异性晶格畸变产生的径向挠曲电场，该电场诱导形成向心收敛的微畴结构。偶极矩的连续卷曲排列与光的相互作用通过非线性自旋-轨道角动量转换机制，实现圆偏振光向涡旋光场的转化。通过热场或电场调控极性拓扑的动态演变，可进一步实现涡旋光场的实时操控。该研究为其他铁电拓扑结构在光场工程中的应用提供了范式。

创新点

1. 首次在自支撑氧化物薄膜中实现微米级铁电拓扑结构，突破传统铁电纳米畴的尺寸限制，解决光波长-材料特征尺度失配难题。

2. 揭示径向挠曲电场诱导向心微畴形成的新机制，建立晶格畸变-极性拓扑-光场响应的跨尺度理论模型。

3. 开发基于热/电双场调控的拓扑动态重构技术，实现涡旋光场强度与轨道角动量的实时可调谐输出。

对科研工作的启发

1. 柔性氧化物薄膜的应变工程为设计跨尺度铁电拓扑结构提供新思路，可推广至多铁性材料异质结的界面调控研究。

2. 自旋-轨道角动量转换机制与铁电拓扑的耦合效应研究，为量子光学器件开发开辟材料-物理交叉创新方向。

3. 多物理场（热/电/光）协同调控策略为动态可重构光子学器件设计建立方法论框架。

思路延伸

1. 探索二维过渡金属硫化物与铁电拓扑结构的异质集成，可能增强非线性光学响应的波长选择性。

2. 设计螺旋形铁电拓扑阵列，实现高阶轨道角动量光场的多通道并行生成与调控。

3. 开发具有记忆效应的铁电拓扑动态演变材料，用于光学神经网络的可编程突触器件。

生物医学领域的应用

1. 高精度涡旋光场调控技术可提升光学镊子在单细胞操作中的多维操控能力。

2. 拓扑依赖的光场相位调制特性可用于深组织光学相干断层成像（OCT）的分辨率增强。

3. 动态可调谐光场生成系统为光遗传学提供新型光刺激模式，精准调控神经环路活性。

Ferroelectric topologies in BaTiO3 nanomembranes for light field manipulation

Nature Nanotechnology ( IF 38.1 )

Pub Date : 2025-04-23

DOI: 10.1038/s41565-025-01919-y

Haoying Sun, Pengcheng Chen, Wei Mao, Changqing Guo, Yueying Li, Jierong Wang, Wenjie Sun, Duo Xu, Bo Hao, Tingjun Zhang, Jianan Ma, Jiangfeng Yang, Zhequan Cao, Shengjun Yan, Yuze Guan, Zonghan Wen, Zhangwen Mao, Ningchong Zheng, Zhengbin Gu, Houbing Huang, Peng Wang, Yong Zhang, Di Wu, Yuefeng Nie