由伦斯勒理工学院材料科学与工程副教授EdwinFohtung领导的一组研究人员将数学和凝聚态物理方面的专业知识与技术进步相结合，以发现磁性铁电材料的新特性。

在最近发表在MRSAdvances上的研究中，研究人员发现一类称为拓扑缺陷的缺陷可以提供一个平台来探索各种新现象。例如，在绝缘铁电材料的畴壁上已经报道了室温电子电导率。

科学界面临的挑战是在纳米尺度上对此类结构进行无损三维成像。这要归功于一种称为布拉格相干衍射成像(BCDI)的无透镜X射线显微技术。无透镜X射线显微技术的发现在计算、医疗技术和物理学中具有潜在的深远应用。

“使用基本上由粒子加速器发射的同步加速器源，我们可以产生比太阳光亮100亿倍的X射线光子，”Fohtung说。“我们狭窄地聚焦和控制这些X射线束进行光谱和成像，并且我们第一次可以观察到固态材料纳米级的小激发。”

使用BCDI，该团队观察到在弹性域的边界，即具有位移或变形原子的区域，存在具有意外现象的拓扑缺陷，例如导电性和超导性。

“在纳米尺度上，位错和全局拓扑缺陷等特征几乎就像这些材料大规模应用的基石，”Fohtung说。“它们主要是由它们的纳米级行为驱动的。这让我们感到惊讶：小规模的东西主导着大规模捕获的东西。”

这一发现可能具有深远的应用。

“我们的研究可能会导致使用铁电涡旋等拓扑缺陷作为构建块来形成用于量子计算的量子比特，”Fohtung说。“在再生医学和生物学中，拓扑缺陷可以被视为控制集体细胞动力学的基石。因此，在其原生环境中可视化这些缺陷的能力是当务之急。”

拓扑缺陷甚至可能有助于我们理解大爆炸后早期宇宙是如何形成的。

“我们无法在实验室中重现大爆炸，但科学家们可以研究具有与大爆炸后早期宇宙非常相似的对称性降低相变的材料纳米结构中的拓扑缺陷，”Fohtung说。“因此，我们可以在我们的实验室中研究早期宇宙舒适演化的速度。拓扑缺陷可以提供从原子尺度到宇宙尺度的许多新的科学见解。”

博士后研究员施晓文和研究生NimishPrashantNazirkar、ZacharyBarringer和SkyeWilliams加入了Fohtung在伦斯勒的研究。

伦斯勒工程学院院长ShekharGarde表示：“Fohtung博士的研究是前沿材料工程与基础物理学之间界限模糊的一个很好的例子，在许多令人兴奋的领域都有潜在的应用。”“我很高兴工程专业的学生和博士后研究人员通过参与这项研究获得了跨学科的机会。”