南開チームは大域トポロジー保護を持つ3次元強誘電体編組ネットワークを発見した

【計器ネット開発速報この研究は固体強誘電体結晶における新しいトポロジー構造形成メカニズムを明らかにし、グローバルトポロジー保護を有する高ロバスト性光子記憶、情報処理、神経形態計算を発展させるために新しい材料体系を提供した。関連成果は「Spotanteous formationand optical manipulation of a woven domain fabric in a ferroelectric crystal」（強誘電体結晶中の編組ドメイン構造の自発的形成と光学操作）と題して国際学術ジャーナル「光：科学と応用」（Light：Science&Applications）に発表された。南開大学は論文の第一完成単位であり、論文の第一著者は南開大学物理科学学院の辛非非非教師である。

強誘電材料は自発分極の空間分布符号化情報を利用して、高効率電子と光子強誘電記憶装置の重要な基礎である。その分極状態は光場駆動によって読み取り、書き込み、消去を実現することができ、記憶プロセスに非接触、再構成可能な光学操作能力を持たせることができる。近年、強誘電体渦、スグ明子などのトポロジー分極構造はトポロジー保護を持つことで広く注目されている。しかし、このような構造で形成された超格子は本質的には局所トポロジユニットから構成されており、そのトポロジ保護は各局所ユニットに限定されている。対照的に、自然界におけるDNA二重螺旋や神経線維ネットワークなどの複雑なシステムは、連続的な交絡によってシステム全体を覆うネットワークを形成し、その安定性は単一のトポロジーユニットではなく、全体のトポロジー接続性に由来するため、高度な安定性、フォールトトレランス能力、構造可塑性を兼ね備えている。このようなグローバルトポロジー保護メカニズムと強誘電体材料の光学制御可能特性を結合し、高い安定性と再構成可能性を兼ね備えた生体模倣光子情報記憶と情報処理プラットフォームの構築が期待されている。しかし、このような自発対称性の破れによって形成された三次元編組トポロジーは、これまで固体強誘電体結晶では観察されていなかった。

研究チームは、KTN結晶の強誘電相転移の過程で、温度がキュリー温度（19℃）以下の約2℃に下がると、規則的に配列された強誘電分域超格子が自発的に進化して三次元強誘電体編組ネットワークを形成することを発見した。強誘電渦、スグ明子などの局所トポロジ構造と異なり、この編組ネットワークは連続強誘電ドメインが相互に織り交ぜられ、システム全体を貫通し、グローバルトポロジ保護特性を有する。この特性に基づいて、研究チームは三次元強誘電体編組ネットワークの局所光学制御を実現し、焦点光場を利用して編組構造を選択的に再構築し、複雑なトポロジー状態の光書込み、光消去、光再構築を実現した。グローバルトポロジ保護メカニズムはこの構造に良好な安定性を与え、光学制御は異なるトポロジ状態を柔軟に制御することができ、高いロバスト性、再構築可能な光子情報記憶と情報処理プラットフォームを構築するために新しい道を提供した。

上述の研究成果は情報記憶と情報処理分野における強誘電トポロジ構造の応用境界を広げ、トポロジ安定性と光学再構成性の結合を実現し、高い安定性、再構成性を兼ね備えた生体模倣光子情報記憶プラットフォームの発展に新しい材料体系を提供し、そして未来の神経形態計算と低エネルギー情報処理技術の発展に新しい可能性を提供した。この研究は国家重点研究開発計画、国家自然科学基金などのプロジェクトの援助を得た。

参照先：南開チームはグローバルトポロジー保護を持つ3次元強誘電体編組ネットワーク-総合ニュース-南開大学を発見【引用期間：2026年8月14日】