Polar Superhelices in Ferroelectric Chiral Nanosprings

Abstract

Topological objects of nontrivial spin or dipolar field textures, such as skyrmions, merons, and vortices, interacting with applied external fields in ferroic materials are of great scientific interest as an intriguing playground of unique physical phenomena and novel technological paradigms. The quest for new topological configurations of such swirling field textures has primarily been done for magnets with Dzyaloshinskii-Moriya interactions, while the absence of such intrinsic chiral interactions among electric dipoles left ferroelectrics aside in this quest. Here, we demonstrate that a helical polarization coiled into another helix, namely a polar superhelix, can be extrinsically stabilized in ferroelectric nanosprings. The interplay between dipolar interactions confined in the chiral geometry and the complex strain field of mixed bending and twisting induces the superhelical configuration of electric polarization. The geometrical structure of the polar superhelix gives rise to electric chiralities at two different length scales and the coexistence of three order parameters, i.e., polarization, toroidization, and hypertoroidization, both of which can be manipulated by homogeneous electric and/or mechanical fields. Our work therefore provides a new geometrical configuration of swirling dipolar fields, which offers the possibility of multiple order-parameters, and electromechanically controllable dipolar chiralities and associated electro-optical responses.

Theoretical Studies on Controlling the Chirality of Helical Polarization Vortices in Ferroelectric Nanowires: Implications for Reconfigurable Electronic Devices

“…The polarization domain structures represented at points A3 and A4 exhibit that the HPV structure persists, but has negative LH chirality. The switching behavior of the hypertoroidal moment of HPV is similar to that occurred in a ferroelectric nanospring . Therefore, both the overall polarization and hypertoroidal moment of HPV can be switched by the use of homogeneous electric fields, while the toroidal moment is intact.…”

“…Helical rotation of polarization, which comprises additional symmetry lowering, has been observed in PbTiO 3 /SrTiO 3 superlattices . In addition, hyper-helical or double-helix polarization textures have been predicted to stabilize in ferroelectric nanosprings subjected to mechanical strain . These mentioned polarization topological textures mostly rely on the strain-polarization coupling in confined ferroelectrics, where the polarization field adjusts itself in the presence of complex strains.…”

Ab initio framework for systems with helical symmetry: theory, numerical implementation and applications to torsional deformations in nanostructures

“…98 or eq. C. 15), and the total electrostatic potential Φ which satisfies Poisson's equation (eq. 100 or eq.…”

“…This is due to the fact that atoms in such structures find themselves in locally similar environments [7]. Coupled with the quasione-dimensional nature of these systems, as well as the presence of symmetries in the underlying governing equations, this makes it likely that collective or correlated electronic effects (such as those leading to ferromagnetism, ferroelectricity and superconductivity) can emerge in these materials [15]. Contrarily, helical structures are also inherently chiral and can therefore serve as natural examples of materials systems in which certain forms of symmetry breaking in the governing equations can lead to unconventional transport phenomena [16][17][18].…”

Periodically-arrayed ferroelectric nanostructures induced by strain concentration in SrTiO₃

“…示し (Devonshire, 1954)，不揮発性メモリ(FeRAM)，MEMS のアクチュエータなど各種デバイスに広く利用されて いる (Scott, 2007)．近年では，ナノドット，ナノワイヤやナノトーラスといった寸法がナノスケールの強誘電材料 の作製が進められており，より微小なナノデバイスへの応用が期待されている (Gruverman andKholkin, 2006 andXia et al, 2011)．このような強誘電ナノ構造体は，体積に占める表面の割合が高くなり，表面に生じる分極電荷に 伴う反電場の影響がマクロ材に比べ大きくなる (Mehta et al, 1973)．そのため，ナノ強誘電材料中では，分極は材 料表面に沿うように現れ，マクロ材中のドメイン構造のような直線的な分極秩序とは異なり，渦状などの分極秩 序を示す (Nahas et al, 2015 andLich et al, 2017)．このように，ナノ強誘電体中の分極秩序は，その形状に依存して 渦性といった幾何学的特徴を示し，これに起因してトロイダルモーメントといったマクロ材にはない機能を発現 させる (Naumov et al, 2004 andShimada et al, 2016)．さらに，強誘電ナノメタマテリアルといった周期的な構造を 有する周期配列ナノ強誘電材料の分極秩序は，そのナノスケールの内部構造及び周期性に起因して，従来には無 い幾何学的特徴を発現することが知られている (Shimada et al, 2015)．これらの先行研究から，より多様な形状の 周期配列ナノ強誘電材料の作製により，その内部の分極秩序はより多様な幾何学的特徴を示し，より多様な機能 を発現すると考えられる． 一方，強誘電性は非中心対称な結晶構造に起因するため，外部負荷による変形(ひずみ)に対して敏感に変化 1 益田 快理 *1 ，Le Van Lich *2 ，嶋田 隆広 *1 ，北村 隆行 *3 する(マルチフィジックス特性) (Devonshire, 1954)．ペロブスカイト型酸化物 SrTiO3 は無負荷時では分極のない常 誘電材料であるが，一定以上の負荷ひずみが加わると強誘電材料になる (Haeni et al, 2004 andVasudevarao et al, 2006)．また，局所的にひずみが大きくなるひずみ集中場の形状に沿うようにナノスケールの強誘電領域が現れる ことが明らかにされている (Lich et al, 2016)．このナノ強誘電領域は低ひずみの常誘電領域によって囲まれており， 常誘電材料中に埋め込まれたナノ強誘電材料としてみなせる．すなわち，ひずみ集中場により局所的にナノスケ ールの強誘電材料を創り出すことができる． さて，近年では，製造技術の進歩により，材料内部にナノスケールの周期的な孔形状を有するナノ多孔質材料 が作製されている (Masuda et al, 2006, Stasi et al, 2007, Tang et al, 2008and Dahlin, 2015．このナノ多孔質材内には， 外部からの負荷に対し，孔の配列や形状に依存した周期的で不均一なナノスケールのひずみ分布が現われる．上 述の SrTiO3 のマルチフィジックス特性を考慮すると，SrTiO3 ナノ多孔質材に負荷を与えることで，そのひずみ分 布に依存したナノスケールの周期性かつ形状を持つナノ強誘電材料を作製できると考えられる．つまり，周期配 列ナノ強誘電材料を力学的に作製できると考えられるが，これまでにそのような研究例はない． Phase-Field 法は，系の秩序を表現する変数(Order parameter)による自由エネルギーを考え，これを用いた時間 発展方程式を数値的に解くことにより相転移過程を動的に解析する手法である (Chen, 2002)．強誘電体については， 自発分極を秩序変数とした Phase-Field 解析により，材料の形状や変形が強誘電性に及ぼす影響が研究されてきた (Wang and Kamlah, 2009, Chen et al, 2012…”