范德瓦尔斯晶体中的非共线赝铁电性

扭转微小的电箭头

在许多现代设备内部，特殊晶体以高度有序的方式悄然移动电荷。本研究探索了一种发生在层状晶体 WO2Br2 中的新型电序，其中无数微观的“电箭头”并非完全对齐，而是相互倾斜。理解并控制这种不寻常的行为，可能带来更灵活的存储芯片和超快光控电子学。

一种新的电性排列

在大多数常见的铁电材料中，晶体内的小电偶极要么全部指向相同方向，要么彼此完全相反，像士兵列队或整齐的条纹。而在此处，研究者关注一种更为复杂的排列，称为非共线赝铁电性，其中相邻电偶极相对倾斜，而非简单地平行或反平行。团队在范德瓦尔斯晶体 WO2Br2 中研究这一效应，其层间由相对较弱的相互作用维系。该材料原子构件的不寻常形状使电偶极能够采取比更刚性的传统晶体更多样的方向。

看到原子横向位移

为了证明这些倾斜的电偶极确实存在，科学家们直接成像了晶体中钨原子相对于其理想位置的位移。他们使用先进的电子显微镜，从不同观察方向查看非常薄的样品。在一个方向上，他们检测到一组相反的横向位移模式，这些位移相互抵消，称为反极化模式。在另一个方向上，他们发现了相加形成明确极化方向的净位移。结合这些测量表明，局部电偶极并非全部对齐，而是在多层晶体中形成了长程的、非共线的排列。

可以横向翻转的电极化

接着，团队探究这种复杂的偶极排列是否表现出有用的铁电特性，即电极化是否可切换。他们使用灵敏的扫描探针技术，在室温下绘制了面内铁电畴，并展示了通过微小探针施加电压可以反转这些畴。理论计算将这种行为归因于 WO2Br2 高对称相中的两种相互竞争的振动模式：一种有利于偶极平行，另一种有利于偶极相反。当这两种模式共同作用时，它们稳定了非共线态，同时仍保留可切换的面内净极化。

用压力转动极化方向

该晶体的一个显著特征是，通过静水压力可以将整体极轴旋转 90 度。研究者在金刚石对顶砧中挤压材料，并通过观察其对入射激光发出的二次谐波光来追踪极化方向如何从一个晶轴慢慢转向垂直的另一个轴。计算表明，这一旋转可以沿两条几乎等能的路径进行：一条经过近似无极化的中间态，另一条先经过偶极沿新 45 度方向排列的状态，然后到达最终取向。实验证据显示了这两条路线的明显特征，突显了倾斜偶极允许多种重排方式，而不需要每个局域偶极都完成整整 90 度的旋转。

用光摇动晶格

最后，团队使用超快电子衍射观察晶体在受到极短激光脉冲打击时的响应。他们观测到两种不同且寿命较长的振动模态，对应于导致非共线偶极的那两种竞争模式：一种主要改变净极性位移，另一种调制相反的位移。由于这些模态可以在皮秒乃至飞秒尺度上被共同或分别激发，WO2Br2 提供了一种用光操控极性与反极性序的途径，暗示能够在不同极化态之间实现超快切换的可能性。

这对未来器件的重要性

简言之，这项工作表明 WO2Br2 存在一种稳定的、倾斜的电偶极排列，可以以标准铁电材料无法实现的方式被翻转和重新定向。压力可通过两种不同的中间态将极化方向横向旋转，超快光脉冲则可以选择性地激发底层振动模式。二者结合为设计存储和光电器件提供了新策略，其中信息不仅存储在“开”或“关”的极化状态中，而是存在于更丰富的、可控的电性格局景观中。

引用: Fu, J., Wang, G., Qi, Y. et al. Noncollinear ferrielectricity in a van der Waals crystal. Nat Commun 17, 4245 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70975-2

关键词: 非共线铁电性, 范德瓦尔斯晶体, 极化切换, 静水压力, 相干声子