在国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助下，松山湖材料实验室/中国科学院东莞材料科学与技术研究所研究员马秀良、朱银莲团队与中国科学院金属研究所研究员唐云龙团队合作，在经典反铁电材料——锆酸铅薄膜研究方面取得重要进展。近日，相关成果在线发表于《自然-通讯》。

该研究发现，电极化拓扑结构与晶体中的一维结构拓扑缺陷（位错）之间存在强相互作用。借助超高分辨电子显微学成像、谱学研究及相场模拟，研究人员观察到，作为经典一维拓扑线缺陷的“位错”，其周围产生的应变场能够在超薄锆酸铅薄膜中自发诱导出一种有序排列的极性“反刺猬畴”四方晶格。这是一种此前未见报道的全新电极化拓扑结构。

反铁电材料因其在介电储能、电致应变等领域的广阔应用前景而备受关注。在这类材料中，相邻晶胞的电偶极矩在基态下呈反平行排列，使电偶极矩在单胞尺度上相互抵消，材料整体不表现宏观极化。相比之下，在铁电材料研究中，通过应变和界面调控等手段，科学家已成功诱导电偶极矩发生连续旋转，构建出多种新型极化拓扑结构——相关团队此前已在铁电材料中取得一系列突破，包括发现极化通量闭合畴、极化麦韧晶格等。然而，对于反铁电材料，其内部存在巨大的能量壁垒，能否诱导出类似的极化连续旋转、进而构建新型极化拓扑结构，始终是悬而未决的难题。

面对这一瓶颈，研究团队另辟蹊径，从“缺陷工程”入手，探索晶体中经典一维拓扑缺陷——“位错”对极化的潜在调控能力。通过原子尺度透射电子显微分析，他们发现锆酸铅薄膜界面处的位错核心能够有效钉扎并汇聚电极化矢量。位错阵列引入的周期性非均匀应变场，充当了调控电偶极矩排布的“模具”，迫使原本反平行的极化发生连续旋转和重构。最终，一种高度有序且前所未有的极化“反刺猬畴”四方晶格在应变场诱导下自发形成。这一发现首次在反铁电材料中实现了极化拓扑结构的可控构筑，为拓扑缺陷工程调控材料功能提供了全新范式。

为揭示这一奇特现象的物理本质，研究团队结合相场模拟开展了深入的机制分析。结果表明，电致伸缩效应与挠曲电效应的协同耦合是驱动极化拓扑重构的关键。具体而言，位错周围巨大的应变与应变梯度通过两种效应产生强局域有效电场：电致伸缩效应实现应变与电极化的直接耦合，挠曲电效应将应变梯度转化为等效电场，二者共同作用，打破了反铁电材料固有的反平行极化束缚，驱动电偶极矩发生连续旋转和重排，最终稳定形成周期性的“反刺猬畴”四方晶格。

该研究首次在反铁电材料中证实了极性拓扑结构与晶体结构拓扑缺陷之间的强相互作用，将位错从传统的结构缺陷重新定位为调控电极化拓扑态的有效工具。这一突破不仅在反铁电体中建立了缺陷工程驱动的极化拓扑结构设计新范式，也拓展了人们对反铁电材料凝聚态物理行为的认知边界，从方法论上启示了通过拓扑缺陷耦合探索新奇量子序的可行路径。

该发现为开发基于（反）铁电材料的高密度非易失性存储、超低功耗新型逻辑单元及多功能传感器件提供了全新的设计思路与材料平台，有望推动下一代低功耗电子学及集成系统的发展。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70515-y