釜山大学研究团队揭示强铁电性原子级调控之谜
釜山大学 Lee Jaekwang 教授团队携手成均馆大学、浦项工科大学联合研究
面向下一代量子与人工智能器件等未来器件研究的核心理论
釜山大学（校长 Choi Jaewon）2日表示，该校物理学系 Lee Jaekwang 教授研究团队与成均馆大学、浦项工科大学研究人员合作，阐明了一种能够在氧化物内部将强铁电性（随电信号改变极性的性质）精确控制到原子尺度的新原理。
在本研究中，研究团队通过理论与实验，揭示了物质内部名为“声子（phonon）”的微小晶格振动可以彼此分离、各自独立运动的分离（decoupling）机制。今后有望广泛应用于下一代量子晶体管、超高密度存储器和人工智能器件等领域。
物质内部的晶格（原子在空间中规则重复排列的结构）并非静止不动，而是如同用弹簧相互连接般不断振动。物理学上将这种晶格振动称为“声子”。迄今为止，人们普遍认为这些声子彼此纠缠运动，因此难以实现单独控制。
但在此次研究中，研究团队揭示了声子可以彼此分离，并在原子尺度上独立运动的机制。尤其是在强铁电体材料中，声子与“强铁电性”密切相关，如果能够精确控制声子，就可以按需调节其电学性质。
“强铁电性（ferroelectricity）”是指外加电场会改变物质内部电荷分布，即便移除电场，这种状态仍可保持的一种特性，可以理解为“记忆电状态的性质”。这是信息存储或抹除型存储器件的核心工作原理。
因此，通过在原子尺度上独立控制声子，就能够在原子尺度上控制强铁电性，并以此为基础开发新型超高集成度量子器件。
在本次研究中，研究团队使用了具有布朗米勒石（brownmillerite）结构的氧化物 SrFeO2.5。
“布朗米勒石”是一种氧化物晶体结构，具有特定氧原子缺位的构型。可以将其类比为规则排列的砖房（晶体结构）中，有部分砖块（氧）被抽空，利用这些空位就可以改变其电学、磁学性质，因此可视为一种“智能房屋”式结构。
SrFeO2.5 是一种由八面体（Octahedral, Oh）层与四面体（Tetrahedral, Th）层交替连接而成的氧化物，其强铁电性由相对较轻的氧原子位移所决定。SrFeO2.5 的晶格由 Oh 氧和 Th 氧、两者之间的氧，以及将它们分别以不同弹簧（spring）常数 α1、α2 连接起来的键构成，可以用由4个原子组成的一维模型来表述。
在本研究中，成均馆大学物理学系 Choi Wooseok 教授团队制备了高品质 SrFeO2.5 外延薄膜；浦项工科大学新材料工程学系 Choi Siyoung 教授团队则通过扫描透射电子显微镜（scanning transmitted electron microscopy）成像，实验观测到 Th 层氧原子位移确实可以被单独控制，并由此在原子尺度上实现对强铁电性的控制。
釜山大学 Lee Jaekwang 教授团队通过模型分析和电子结构计算，揭示了在满足特定条件（两种原子间连接强度比值大于等于2）时，晶格振动会发生分离并实现独立运动的事实。
Lee Jaekwang 教授表示：“本研究通过揭示一种将强铁电性控制到原子尺度的新型声子分离（phonon decoupling）机制，取得了重要成果，预计今后将成为超高集成度量子器件开发研究中的关键理论基础。”
本论文由釜山大学物理学系硕博连读生 Jin Youngrok 担任第一作者，Lee Jaekwang 教授、成均馆大学 Choi Wooseok 教授以及浦项工科大学 Choi Siyoung 教授共同担任通信作者，以“Sub-unit-cell-segmented ferroelectricity in brownmillerite oxides by phonon decoupling（基于声子分离的亚晶胞尺度布朗米勒石氧化物中的强铁电性）”为题，刊登于国际学术期刊《Nature Materials》5月20日在线版。
本研究得到了科学技术信息通信部出资的韩国研究财团基础研究室（Basic Research Laboratory, BRL）项目，以及教育部出资的韩国基础科学支援研究院国家研究设施设备振兴中心的资助。
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