国之突破！发现一维带电晶体，刷新纳米电子学认知

2026年1月23日，中国科学院物理研究所团队的一项新发现登上《科学》期刊，首次在萤石结构铁电薄膜中观测到一维带电畴壁这一特殊晶体结构，还实现了原子尺度的人工操控，直接颠覆了学界对畴壁结构的传统认知，为纳米电子学发展打开了全新空间。

要理解这个发现的意义，得先搞懂铁电材料的基本特性。铁电材料里藏着无数微小的“电学指南针”，也就是自发极化的电荷方向，即便没有外部电场，这些电荷也会自发分离排列，还能通过外电场改变方向，这让它在信息存储、人工智能器件等领域极具应用价值。这些“指南针”同向排列的区域是铁电畴，畴与畴的边界就是畴壁，此前学界一直认为，三维铁电晶体中的畴壁必然是二维平面结构，就像魔方不同颜色方块间的界面。

而此次研究的突破口，在于萤石结构铁电材料的特殊层状构造。它的晶体由极性和非极性晶格层交替组成，铁电极化被限制在独立的极性层内，让原本的三维铁畴变成了二维“拼图”，也让一维线性的带电畴壁有了存在的可能。研究团队用激光法做出仅十个晶胞层厚的自支撑萤石铁电薄膜，再通过电子显微镜实现原子级观测，不仅证实了一维带电畴壁的存在，还发现其尺寸仅有埃级，约为人类头发直径的数十万分之一。

更关键的是，团队摸清了这个特殊结构的稳定原理和操控方法：畴壁处的氧离子或氧空位充当了“胶水”，通过电荷补偿让带电畴壁保持稳定，还能利用电子辐照产生的局部电场，实现对畴壁产生、移动和擦除的精准操控。在我看来，这一发现的核心价值，不仅是打破了畴壁的维度认知，更在于实现了“从发现到操控”的一步到位，让实验室的基础研究直接贴近了实际应用。

埃级尺寸的一维带电畴壁，能让信息存储密度实现质的飞跃，理论上每平方厘米可存储20TB数据，相当于邮票大小的设备装下1万部高清电影。更重要的是，通过控制一维畴壁的写入与擦除，能实现高效率的模拟计算，这为开发接近物理极限的人工智能器件奠定了科学基础。

从材料制备到结构观测，再到人工操控，我国科研团队完成了一整套原创性研究，这不仅是铁电材料领域的重大突破，更意味着我国在纳米电子学的前沿探索中，掌握了从基础理论到器件设计的核心主动权，未来在超小型、高密度电子器件的研发上，也将拥有更多自主创新的空间。