量子物态与器件研究中心：应变梯度产生的新物理

应变梯度（非均匀应变）是调控低维量子材料电子结构和量子效应的有效手段。应变梯度可产生极化（挠曲电效应）；导致局域能带弯曲，可在石墨烯中产生高达数百特斯拉的赝磁场，影响电子输运的量子行为；在拓扑绝缘体或外尔半金属中，应变梯度可等价规范场，诱导拓扑相变或手性反常现象；此外，纳米线或量子点中的应变梯度可增强量子限域，改变激子束缚能及光学响应等。这些效应在均匀应变下难以实现。应变梯度与量子理论的交叉揭示了微观与介观尺度力学-量子耦合的新机制，可能为量子器件、拓扑材料和超精密测量等领域带来新的视角。

1. 小应变梯度产生的极性畴界翻转与调控

很多重要的固体物理现象都是从钛酸锶（SrTiO₃）里面发现的。诺贝尔物理学奖获得者K.A. Muller教授曾夸赞它为“固体物理中的果蝇”。 钛酸锶的介电、超导、拓扑、磁性、光学等性质的研究，可以深入理解凝聚态物理中的基本规律，并为新材料、新器件的开发提供指导。SrTiO₃极性畴界翻转与调控是一个重要的科学问题。起初，钛酸锶薄膜中极性畴界以极化正负成对出现，正好抵消，宏观上不表现出极性，如图1所示。浙江大学量子物态与器件研究中心、物理学院汪华研究员和常凯院士与中科院宁波材料所钟志诚研究员合作发现当施加微小弯曲形变后，部分畴界会定向旋转90°，伴随畴界的旋转，该面的凹凸角会相互转换，畴界的极化也随之翻转，极化也就产生。值得注意的是，与常规的体挠曲电效应不同，当施加的这个弯曲应变撤除以后，钛酸锶薄膜依然能够保持弯曲状态，同时存在剩余极化。通过测量体光伏响应来探测畴界极性的实验方案，这对未来开发光伏材料有极大的帮助。也使得原来具有中心对称结构材料通过畴界和应变梯度工程可以在均匀光辐照下也能产生光电流，从而避免使用复杂的p-n结结构，这是非常有意思的。相关的成果以 “Ferroelastic Twin-Wall-Mediated Ferroelectriclike Behavior and Bulk Photovoltaic Effect in SrTiO3”为题发表在国际物理学著名学术期刊《Physical Review Letters》（物理评论快报） [Phys. Rev. Lett. 132, 176801 (2024)]上。浙江大学汪华研究员为共同通讯作者。

 图1. SrTiO3畴界原子结构示意图，畴界结构序参量、极化序参量的空间分布

2. 大应变梯度产生的反常褶皱和极化畴壁

二维范德华材料，以其独特的堆叠自由度而备受关注。这些材料由原子级薄层组成，层间相互作用较弱，堆叠顺序对它们的物理性质有着至关重要的影响。改变堆叠顺序可以产生一系列具有独特电学、光学和磁学性质的铁性、强关联和拓扑相。近年来，滑移铁电在堆叠的双层WTe2、h-BN、3R-MoS2和MoTe2等材料中被实验观察到，这种铁电性源于非极性单层的不对称堆叠。然而，调控不同的堆叠顺序往往需要克服层间滑动的能量障碍，这给实际应用带来了挑战。在连续介质力学中，应变往往是连续的，但在极限尺度下，这便不再成立。浙江大学量子物态与器件研究中心、物理学院汪华研究员和中科院宁波材料所何日研究员、中科大钟志诚教授合作发现 以双层h-BN为例，稳定的AB堆叠通过沿x轴弯曲特定角度θ，理论上会形成一个弧形，但随着应变梯度增大，由于h-BN平面六边形结构的高刚性，在弯曲过程中，弯曲区域会产生连续的层间滑移。经过原子弛豫后，弧形结构转变为三种不同的状态（如图2所示）：平面、θ = 31°的单个褶皱，以及θ分别为31°和57°的双褶皱，这些结构取决于初始弯曲角度θ。31°褶皱对应的是Néel型极化畴壁，57°对应的是Ising型的极化畴壁，如图3所示。其物理起源来自于范德华相互作用能和弯曲应变能之间的竞争。这项研究可能为动态控制二维材料的堆叠序及相关光学、拓扑、电子和磁性性质提供新的视角。考虑到堆叠序与材料性质之间的强相关性，这种大应变梯度诱导的层间滑移机制可以扩展到更广泛的“滑移挠曲响应”如滑移挠曲磁性、滑移挠曲光伏和滑移挠曲谷电子学效应等。相关的成果以 “Switching Two-Dimensional Sliding Ferroelectrics by Mechanical Bending”为题发表在国际物理学著名学术期刊《Physical Review Letters》（物理评论快报） [Phys. Rev. Lett. 134, 076101 (2025)]上。浙江大学汪华研究员为共同通讯作者。

 图2. 不同弯曲角度下AB畴双层h-BN的原子结构。 (a) 沿armchair方向弯曲的平面双层结构示意图。(b)–(d) 通过深度势能分子动力学弛豫模拟得到的不同初始弯曲角度下的双层原子结构。

图3. 弯曲双层h-BN的原子构型和极化纹理的侧视图与俯视图。 (a) 31°褶皱，形成了Néel型极化畴壁，极化方向从向上平滑旋转到向下。 (b) 57°褶皱，形成了Ising型极化畴壁，畴壁中心的极化消失。 (c) 弯曲变形中层间滑动引起的AB、SP、BA和AA堆叠构型之间转换的示意图。红色箭头表示滑移方向。