西湖大学理学院物理系刘仕实验室在揭示二维滑移铁电极化反转机制及畴壁动力学规律方面取得重要进展。7月22日，该研究成果以“Superlubric motion of wavelike domain walls in sliding ferroelectrics”为题发表在《物理评论快报》，并入选Editors’ Suggestion。

在本研究中，刘仕团队综合运用第一性原理计算与基于深度神经网络的分子动力学方法（深度势能），揭示了二维滑移铁电极化反转的微观机理，以及其独特的波型畴壁所展现的反常超滑动力学行为。研究发现，滑移铁电的单畴结构由于受到C₃对称性的保护，根据Neumann原理，无法在面外电场作用下实现极化反转；然而，畴壁的存在有效破坏了该对称性，从而在局部产生波恩有效电荷的面内分量。在面外电场的驱动下，这一面内分量可带来畴壁移动的驱动力，进而实现极化反转。该机制明确表明：畴壁在滑移铁电的极化反转过程中扮演着不可或缺的角色，呈现出“无畴壁，不反转”的独特性质。进一步研究表明，滑移铁电的畴壁宽度可达约10纳米，远大于传统铁电材料（如PbTiO₃）中的畴壁宽度（约1纳米）。同时，其运动机制也显著不同于传统畴壁的成核-生长模式，而更类似于一个波包的整体推进。较宽的畴壁结构使其内部单元能够实现高度有序的协同运动，从而使畴壁运动的能垒趋近于零，层间相对运动的静摩擦力几乎为零，展现出典型的“超润滑”动力学特征。畴壁运动过程中几乎不发生能量损耗，其能耗主要来源于声子散射，因此呈现出一种反常的“降温加速”效应。滑移铁电畴壁超润滑性的发现，不仅为提升滑移铁电性能提供了坚实的理论基础，也为铁电材料在低温环境下的实际应用开辟了新的研究方向。

西湖大学理学院副研究员柯昌明为论文第一作者，电子科技大学刘富才教授对利用畴壁的功能特性提供了重要建议，西湖大学刘仕研究员为通讯作者。

滑移铁电作为一种新型的二维铁电体系，其独特之处在于能够通过任意非极性单层二维材料的堆叠，实现垂直于层面的面外极化（P）。这使得二维铁电体从原本稀缺的特殊体系转变为"随处可得"的“常见体系”, 被广泛认为是低能耗、高密度、非易失存储器件的理想候选材料。然而，其电场驱动的极化反转物理机制长期存在争议。其核心问题在于：面外电场与滑移所需的面内原子运动方向完全正交（图1a-b），如何提供有效驱动力？此外，传统观点普遍认为极化反转源于整个原子层的长程协同滑移。然而，在实际情况中，当体系处于P⁺或P^-极化态时，均表现出 C₃对称性，这意味着面内存在三个等价的滑移方向（如图1d所示，从P^-到P⁺的转换可通过三种等价方向实现）。由于面外电场无法打破这种面内C₃对称性，自然也无法对三个等价路径施加方向选择性，从而无法提供实现特定滑移方向的动力学偏置。在此背景下，若认为原子层能在面外电场驱动下完成定向滑移（即选定某一特定方向），则违反了Neumann原理。因此，这一传统极化反转机制的合理性存疑。

为破解传统理论在解释滑移铁电极化反转机制方面所面临的困境，刘仕团队的研究揭示了其中的关键物理本质：极化反转过程必须依赖对称破缺的畴壁结构。在畴壁区域，即分隔不同方向极化畴的界面处，原有的C₃对称性被打破，波恩有效电荷（Born Effective Charges）张量出现了显著的非对角分量（如图1d所示），从而使得面外电场能提供有效的面内驱动力。这一发现表明：面外电场无法直接驱动单畴内部的原子运动，唯有在畴壁处的原子，由于对称性破缺所产生的波恩有效电荷的面内分量，才能对外电场产生响应，进而成为极化反转的“驱动力”来源。为验证该机制，研究团队开发了一种基于波恩有效电荷动态演化的分子动力学模拟方法，能够精准捕捉局域原子环境与驱动力之间的关联。模拟结果（见图2d）清晰显示：外加面外电场的驱动效应严格局限于畴壁区域，而在无畴壁的单一畴区则几乎无法“感知”电场的存在。这一结果有力佐证了滑移铁电体系中“无畴壁，不反转”的独特特性。值得一提的是，该研究结论与东南大学董帅教授团队通过第一性原理分子动力学所提出的观点一致，即“畴壁是滑移铁电极化反转核心” 的结论不谋而合[Phys. Rev. B 111, L201406 (2025)]，两者共同夯实了畴壁主导滑移铁电极化反转的物理图像。

更深入的研究揭示了滑移铁电畴壁在动力学行为的独特性质（如图 3），其与传统铁电材料相比，主要体现在两个方面。在运动机制上，传统铁电中的畴壁通常通过 "成核-生长"过程逐步推进，而滑移铁电中的畴壁则呈现处波状的整体传播，未观测到成核过程，类似于波包的整体移动。在温度依赖方面，传统铁电材料的畴壁运动服从蠕变（creep）机制，其速度随温度升高而加快，符合 Arrhenius 行为，即：

相比之下，滑移铁电的畴壁速度却具有出相反的温度依赖：随着温度降低，畴壁运动速度反而提升，呈现出一种非典型的“降温加速”现象。

其中，ν表示畴壁速度，ε是电场强度，T是温度，c_T是材料的本征性质，γ和θ则刻画了电场对面外褶皱的影响，k_B玻尔兹曼常数。该公式能完美拟合畴壁的动力学数据（图4c-4d），并自然解释了室温下畴壁速度高达4000 m/s的实验观测结果。这一发现与宁波材料所何日团队在 MoS₂中观测到的畴壁超低损耗现象相互印证[Phys. Rev. B 112, 035421 (2025)]，凸显了超滑特性在滑移铁电中的普适性。