铁电体因具有优异的压电性能广泛应用于集成电路、人工智能传感器等领域。铁电拓扑涡旋是铁电体物理领域的前沿热点，其具有拓扑保护等性质，被视作未来高密度信息存储等高新技术的理想芯片单元，在下一代电子器件中具有巨大的应用潜力。以往关于铁电体中拓扑涡旋的研究，集中于低维薄膜，而对于目前应用主力—块状铁电体中拓扑涡旋结构的观测、调控以及其对宏观物理性能的影响，缺乏认识。
针对这一问题，球吧网数理学院物理系凝聚态物理学科、光电材料与器件重点实验室联合香港理工大学、北京理工大学、香港城市大学、新南威尔士大学、中国科学院上硅所、西安交通大学等相关团队，在Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)块体铁电单晶中发现了拓扑涡旋结构，首次建立了拓扑涡旋核密度与宏观压电性能的关联（如图1所示），发现随着涡旋核密度增加，压电性能显著增强，并发明了一种简便、普适且可规模化的力-电协同极化方法实现对拓扑涡旋密度的操控（如图2所示），在压应力与电场联合作用下，将拓扑涡旋核的密度从0.01 μm⁻²提升至21 μm⁻²，实现了铁电单晶压电性能的显著增强，性能提升的同时并未牺牲材料的热稳定性和长期可靠性，并将这一方法推广至其它铅基和无铅铁电晶体中，尤其在Sm掺杂PMN-PT单晶中获得了高达5300 pC/N的压电系数。
图1、 拓扑涡旋结构与宏观电性能关联
图2、 力-电协同极化调控拓扑涡旋结构和电性能
该项研究提出“拓扑压电性”概念，不仅实现了对体铁电单晶中拓扑结构的全新理解，为通过拓扑畴工程设计高性能铁电体提供了新维度，还开辟了力-电协同调控铁电压电材料功能特性的新方法。
相关结果以“Topological piezoelectricity in bulk ferroelectrics”为题于2026年7月14日发表在国际期刊《Nature Materials》上。
论文链接网址：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02677-5
（供稿、图片：数理学院）
