文章导读
你以为毫米波器件性能瓶颈出在材料本身，但清华大学最新研究发现，真正制约30-300GHz频段发展的，竟是铁电材料中一种被长期忽略的拓扑结构。当全球实验室都在死磕传统铁电材料时，李千团队意外发现偶极子波超晶格在110GHz高频下仍保持8%以上的介电可调性，而常见的通量闭合畴结构几乎完全失效。这个藏在极化排列方式里的秘密，让毫米波器件在相同电压下获得翻倍的调控效率——但为什么这种拓扑结构能突破物理极限？答案可能颠覆你对高频材料设计的全部认知。
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毫米波通信、雷达感知及6G技术的快速发展，对30-300GHz频段的高性能介电可调材料提出了迫切需求。然而，常规铁电材料的介电可调性多在微波频段表现良好，进入毫米波频段后显著下降，成为制约器件集成与性能提升的瓶颈。近年来，PbTiO3/SrTiO3铁电超晶格中涌现的极性涡旋、斯格明子、偶极子波等拓扑畴结构，因其独特的极化构型和电场耦合性质而备受关注，但相关研究主要集中在低频或太赫兹、光学频段，尚未涉及毫米波频段。
近日，清华大学材料学院李千副教授团队与西湖大学物理系刘仕副教授团队开展合作，首次揭示了偶极子波（dipole wave）结构在毫米波频段的优异介电可调性。研究团队设计并制备出一系列具有不同类型拓扑畴结构的PbTiO3/SrTiO3超晶格，并基于自主开发的片上毫米波介电测量技术完成了性能表征。结果表明，在30kV/cm外加电场作用下，偶极子波超晶格在70GHz的介电常数可调幅度超过15%；即使频率提升至110GHz，其介电可调性仍稳定保持在8%以上，整体上表现出优异的宽频段电场响应能力。与之对比，通量闭合畴（flux closure）超晶格在相同测试条件下几乎不表现出明显的介电调控能力。
图1.PbTiO3/SrTiO3偶极波子超晶格的毫米波介电可调功能
结合原位光学二次谐波表征、同步辐射X射线衍射表征与基于深度势能的分子动力学模拟，研究团队揭示了偶极子波结构中连续起伏、协同响应的极化排列方式是其关键性能机理。这种独特的极化构型在高频电场驱动下更易发生极化旋转，从而释放出远高于常规铁电畴结构的介电调控潜力。这类铁电拓扑畴材料有望在较低驱动电压下实现对毫米波信号的高效调制，为可重构毫米波相控阵天线、可调移相器以及新一代高频射频前端器件提供了兼具高性能与可集成性的材料新选择。
图2.基于深度势能的分子动力学模拟结果
研究成果以“钛酸铅/钛酸锶超晶格中由极性拓扑结构翻转驱动的毫米波介电可调性”（Millimeter-wave dielectric tunability driven by topological polar structure switching in PbTiO3/SrTiO3 superlattices）为题，于2月13日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学材料学院2025届博士毕业生王思旭、西湖大学博士后杨季元为论文共同第一作者，李千与刘仕为论文共同通讯作者。论文其他重要合作者包括清华大学材料学院教授李敬锋、东京科学大学教授舟窪浩（Hiroshi Funakubo）、美国阿贡国家实验室研究员刘锐、国家纳米科学中心研究员郑强等。研究得到国家自然科学基金基础科学中心项目、区域创新发展联合基金、北京市自然科学基金和浙江省自然科学基金等的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-69440-x
供稿：材料学院
编辑：李华山
审核：郭玲
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以前做过毫米波调制，感觉这方案更省电👍。
这偶极子波调制听起来真爽。