近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場(chǎng)中心與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位合作，依托穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置(SHMFF)，在二維新型量子磁體斯格明子元激發(fā)的理論與實(shí)驗研究中取得重要進(jìn)展，提出“拓撲克爾效應”（Topological Kerr Effect, TKE）的概念。該成果于2024年4月4日在線(xiàn)發(fā)表于物理學(xué)權威期刊自然物理 Nature Physics 。 ?
斯格明子（Skyrmion）的概念起源于粒子物理，后被廣泛應用于描述凝聚態(tài)磁性材料中一類(lèi)獨特的拓撲元激發(fā)，其自旋在實(shí)空間以旋渦狀或環(huán)狀排列，并整體具有非平庸拓撲特性，可成為新一代磁存儲及邏輯器件的信息載體。對于斯格明子的表征，常借助電學(xué)測量中的拓撲霍爾效應(Topological Hall Effect, THE)作為其存在的有力判據之一，但電學(xué)測量?jì)H適用于金屬體系。隨著(zhù)拓撲磁性材料的有效拓展，斯格明子領(lǐng)域迫切需要發(fā)展適用于更多體系的表征手段，例如針對非金屬體系斯格明子的表征。??
2017年，科學(xué)家們首次在實(shí)驗中發(fā)現了二維鐵磁材料CrI3和CrGeTe3，引起領(lǐng)域同行的廣泛關(guān)注。在此基礎上，團隊通過(guò)第一性原理計算預言了一類(lèi)與CrI3同構、但具有非平庸拓撲電子態(tài)的新型二維鐵磁性材料CrMX6（M=Mn, V; X=I, Br）。在最新的工作中，研究團隊利用化學(xué)氣相輸運法成功合成了高質(zhì)量二維CrVI6單晶，依托SHMFF的低溫磁場(chǎng)顯微光學(xué)系統，強磁場(chǎng)中心盛志高課題組開(kāi)展了高精度微區磁光克爾效應（MOKE）研究，確認了薄層CrVI6材料亦具有鐵磁基態(tài)。最為令人驚奇的是，在特定的厚度范圍、溫度區間內，磁光克爾回線(xiàn)的磁化反轉區出現了兩個(gè)反對稱(chēng)的貓耳狀“凸起”（圖1c）。該特征與塊體的M-H磁滯回線(xiàn)完全不同，卻與典型磁斯格明子體系中的電學(xué)拓撲霍爾效應高度相似。 ?
進(jìn)一步的理論分析表明，兩種磁性原子Cr與V的共存會(huì )導致中心反演對稱(chēng)性破缺，并在自旋軌道耦合作用下誘導出很強的Dzyaloshinskii–Moriya (DM)交換作用（圖1a），從而具備產(chǎn)生拓撲磁結構——斯格明子的前提條件。隨后，團隊通過(guò)原子尺度的磁動(dòng)力學(xué)模擬（圖1d）和理論計算（圖1e），揭示出斯格明子的“拓撲荷”對于光電場(chǎng)下傳導電子的散射是光學(xué)克爾角在磁翻轉過(guò)程中出現“凸起”信號的微觀(guān)原因。團隊成員強磁場(chǎng)中心陸輕鈾課題組通過(guò)磁力顯微鏡成像實(shí)驗，觀(guān)察到CrVI6中帶狀磁結構演化為點(diǎn)狀磁結構的磁場(chǎng)與磁光克爾“凸起”對應的磁場(chǎng)一致，進(jìn)一步佐證了該光學(xué)克爾信號的拓撲屬性。 ?
基于上述結果，聯(lián)合研究團隊凝練了“拓撲克爾效應”這一核心概念，并基于這一概念提出了利用光學(xué)手段開(kāi)展拓撲磁結構無(wú)損/非侵入式探測的新方案。該方案基于交變光電場(chǎng)，在直流電學(xué)“拓撲霍爾效應”的基礎上，進(jìn)一步放寬了對材料導電性的要求（金屬/非金屬均可），大大拓寬應用范圍。而且，強磁場(chǎng)光譜學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢使得這一方案可以對斯格明子和其它拓撲元激發(fā)開(kāi)展空間分辨、無(wú)損、非接觸式探測，為揭示拓撲磁結構的微觀(guān)機理提供了有力的物理基礎與表征手段。 ?
中國科大李肖音博士、強磁場(chǎng)中心劉財興博士和中國科大張穎博士為共同第一作者；中國科大張振宇教授、向斌教授和強磁場(chǎng)中心盛志高研究員為共同通訊作者。該項研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金大科學(xué)裝置聯(lián)合基金、安徽省重大項目引導性項目等項目和強磁場(chǎng)安徽省實(shí)驗室的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02465-5
圖1. 展示與凝練“拓撲克爾效應”的材料體系與物理過(guò)程。（a）CrVI6的空間反演對稱(chēng)破缺晶體結構。（b）薄層樣品原子力顯微形貌圖。（c）不同溫度下的磁光克爾回線(xiàn)，低溫下的信號系統展現奇異反對稱(chēng)“凸起”。（d）CrVI6的Kondo晶格模型，在磁場(chǎng)輔助下形成的點(diǎn)狀和條帶狀磁斯格明子。（e）理論計算的磁光克爾回線(xiàn)。?
