拓扑缺陷在凝聚态物理中随处可见，如铁性材料中的畴壁，超导体中的涡旋，拓扑绝缘体中的缺陷等。这些拓扑缺陷将材料分割成序参量取向不同的畴区，通常对应着破缺的对称性。铁性材料的磁化或极化过程的动力学行为很大程度上受到拓扑缺陷类型和运动的影响。最近在六方( R=Sc, Y, Ho-Lu)材料体系中发现了一种三叶草状的拓扑缺陷，由六条铁电-平移-反铁磁畴壁汇聚在一点组成，称为多铁畴涡旋。由于该涡旋涉及多参量的耦合，是一个典型的复杂体系。自2010年Cheong等人报道其畴壁的奇异电导的行为以来，畴壁被认为是实现多铁性的新途径，并受到广泛关注。
    六方RMnO₃是一类典型的非本征铁电体，R离子与Mn离子的尺寸失配使MnO5六面体发生倾转，导致R离子在c轴方向发生位移而产生铁电极化。同时，在顺电相（P₆3/mmc）到铁电相（P₆3cm）的转变过程中，产生了三种平移畴（α，β和γ）。先前实验中虽然观察到这种六态的多铁畴涡旋，但由于缺乏足够的分辨率，其铁电畴壁和平移畴壁的耦合以及多铁畴涡旋的认识仅限于理论猜测和初步表征。因此，在原子尺度上对多铁畴壁和多铁畴涡旋的直接观察具有重要意义。
    中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）先进材料与结构分析实验室禹日成研究组与靳常青研究员和日本东北大学的陈明伟教授的研究组合作，利用球差校正的扫描透射电子显微技术在原子尺度上对六方RMnO₃中的多铁畴壁进行了直接观察。首次从实验上直接观察到铁电畴壁和平移畴壁的耦合，观察到了所有的四种180度畴，发现畴壁尺度在一个单胞以内，确定了畴壁类型【PRB: Rapid Communications, 85 (2012) 020102】，验证了先前的理论预言。在此基础上，禹日成研究组与北京师范大学的谈国太教授等人合作进一步对多铁畴涡旋进行了原子级成像（图1），证实该涡旋为α⁺-γ⁻-β⁺-α⁻-γ⁺-β⁻的有序排列，发现畴涡旋中心区大小约为四个单胞。结合该体系的三维涡旋网络结构（图2），提出了多铁畴涡旋[001]方向的结构模型（图3），是三对轮转的畴壁组成。基于此模型，进而讨论了涡旋核心的稳定性。这些原子尺度上的实验发现表明该体系具有高效的极化翻转，为六方RMnO₃体系中多铁性畴壁的理论和实验研究提供了重要的研究结果。该项研究结果发表在近期的Scientific Reports 3, (2013) 02741上。此项工作得到科技部、国家自然科学基金和中科院等项目的支持。
    文章链接：http://www.nature.com/srep/2013/130924/srep02741/full/srep02741.html

图1.多铁畴涡旋的HAADF像。图1 多铁畴涡旋的高角环形暗场像。红色虚线表示六铁畴壁的位置，中间的圆表示涡旋核心的尺寸，图片下方表明各平移畴相对参考标尺的相对平移量，图中虚矩形框标明了铁电单胞，箭头表示铁电极化的方向。因此，可得到六个铁电-平移畴有序排列：α+-γ−-β+-α−-γ+-β−。

图2. 三维涡旋网络示意图。沿着[100]方向的反涡旋排列（α+-γ−-β+-α−-γ+-β−），而在[001]方向上为正涡旋排列（α+-β−-γ+-α−-β+-γ−）。黄色和蓝色区域分别代表向上和向下的极化畴，红色虚线代表涡旋芯线在三维空间中的走向。

图3. [001]方向多铁畴涡旋的结构模型。六条虚线表示畴壁的位置，中心圆圈表示涡旋核心的位置，黄圈和蓝圈代表沿相反方向位移的Y离子。可以看到核心处由三个近邻Y离子的同向位移排布，解释了涡旋的稳定性。