主体块状SrTiO₃具有不同的结构相（图1a）。在高温立方相中，钛离子位于氧八面体和铷角原子的中心。在T_AFD ≈ 105 K以下发生所谓的反铁畸变（AFD）结构相变，涉及氧八面体向相反方向的旋转21，导致形成四方相并沿旋转轴单位胞增加一倍。此AFD相变保持晶体的中心对称性。进一步的冷却伴随着介电函数的大幅上升，表明接近极性，铁电相变4，5，6。然而，在纯SrTiO₃中，量子准电性表现为低于温度T_q ≈ 40 K时的经典居里-魏斯行为的偏离，并且极性位移的长程有序并未发生，原因在于相反极化状态的量子波动。图1：SrTiO₃层的结构相变。a，块状SrTiO₃的结构相。从立方准电至AFD四方相，TiO₆八面体经历了反相旋转，降低了对称性至四方相。在铁电相中，钛原子偏离TiO₆八面体的中心，导致产生电偶极矩。b，SrTiO₃的相图作为温度和应变的函数。长程铁电相的稳定还可以通过钙掺杂或氧同位素替代来实现。母体SrTiO₃的相变遵循灰色虚线，在T_AFD ≈ 105 K左右进入AFD相，随后在较低温度下进入量子准电区。该相图基于先前发表的数据53。c，量子准电介质SrTiO₃中极性纳米域的示意图，展示了在纳米尺度（10 × 10 nm²视场）上的极化方向的空间波动。d，在23 K（左）、91 K（中）和172 K（右）收集的电子衍射图案。黑箭标记了位于半整数位置的AFD超点。比例尺，0.1 Å^–1。a.u.，任意单位。e，AFD超点强度的量化，I_AFD / I_Bragg（顶部）和沿AFD旋转轴的晶格参数（底部）。在T_AFD和T_q附近的两个异常用黑虚线突出显示。因此，用于STEM成像的SrTiO₃层保留了类似块状的结构相变。SrTiO₃还有其他异常动态，这些动态在此量子区间之前就已出现并影响着该区间。一个横向声子模式在有限波矢量q下部分软化，这暗示在纳米尺度上可能存在新的状态7，8，9，10，11，12。准确确定其结构——在T_q以下和以上——可能揭示该原型系统中量子准电性的本质。在此，我们利用液氦低温扫描透射电子显微镜（STEM）直接成像SrTiO₃层中的局部极性，温度低至约20 K，揭示了一个空间上波动和演变的纳米尺度极性纹理的景观（图1c）。SrTiO₃中的结构相变。SrTiO₃的量子准电区接近长程铁电性，可以在足够大的外部调节参数下获得，包括应变、氧空位或同位素替代（图1b）15，16，17，22，23，24，25，26，27，28，29。因此，量子准电性在相图中限制在一个有限窗口内，之后便是长程铁电性的开始。我们验证了为STEM成像制备的样品层保持与母体SrTiO₃相关的重要转变（图2a插图）。对热不匹配应变和氧缺乏的潜在影响进行检查并排除（扩展数据图1，补充图1和补充注释1）。图1d显示了由于TiO₆八面体的反相旋转，在电子衍射图案中，半整数位置出现AFD超点（黑箭标记），这使单位胞翻倍。超点强度，在高温下初始较低（图1d；完整数据集请参见扩展数据图2），近T_AFD显著增加，确认进入AFD状态。在T_AFD时并不是突然出现，弱超点强度在T_AFD以上仍然存在，这与记录的前驱效应以及中子和X射线测量中的扩散强度一致30，31，32。除AFD有序外，沿AFD旋转轴的晶格参数在穿越T_AFD时延长（图1e），这与块状AFD相变所期望的对称性变化成正比。图2：低温SrTiO₃中极性纹理的成像。a，液氦低温STEM实验设置，使用纳米束4D-STEM映射SrTiO₃中的极化。插图说明了SrTiO₃层的几何形状。