中国科大在二维量子磁体的拓扑元激发研究中观察到新奇“拓扑克尔效应”

　　近期，中国迷信技能年夜学与中国迷信院强磁场迷信中间、山西师范年夜学、西安交通年夜学、河南年夜学、河南省迷信院等单元互助，正在二维新型量子磁体斯格明子元引发的实践与试验研究中取患上重要进展，提出“拓扑克尔效应（TopologicalKerrEffect, TKE）”的观点。该结果4月4日以“Topological Kerr effects in two-dimensional magnets with broken inversion sy妹妹etry”为题正在线颁发于物理学出名期刊《天然·物理》（《Nature Physics》）。中国科年夜国际功用资料量子设计中间拜访博士后李肖音博士、早先结业的强磁场中间刘财兴博士以及中国科年夜张颖博士为配合第一作者；中国科年夜张振宇传授、向斌传授和强磁场中间盛志高研究员为配合通信作者。

　　斯格明子（Skyrmion）的观点发源于粒子物理，后被普遍使用于形容凝聚态磁性资料中一类奇特的拓扑元引发，其自旋正在实空间以漩涡状或环状摆列，并全体具备非平淡拓扑特征，可成为新一代磁存储及逻辑器件的信息载体。关于斯格明子的表征，电学丈量中的拓扑霍尔效应（Topological Hall Effect, THE）常作为其存正在的无力判据之一，但电学丈量凡是仅合用于金属系统。跟着拓扑磁性资料的有用拓展，范畴火急需求成长合用于更多系统的表征手腕，尤为是针对非金属系统斯格明子的表征。

　　图1.展示与凝炼“拓扑克尔效应”的资料系统与物理历程。（a）新型二维磁性资料CrVI₆的空间反演对称破缺晶体布局及其DM彼此作用示用意。（b）SiO₂/Si衬底上的薄层样品的原子力显微镜图象，颜色代表样品没有同区域的厚度变迁。（c）没有同温度下的磁光克尔回线，高温下揭示出怪异阻挡称“突出”。（d）实践摹拟磁场帮助下的局域磁矩漫衍，展示出点状以及条带状磁斯格明子。（e）实践计较的磁光克尔回线。

　　2017年，迷信家们初次正在试验中发明二维铁磁资料CrI₃以及CrGeTe₃，惹起范畴的普遍存眷。正在此根蒂根基上，该团队后期经由过程第一性道理计较预言了一类与CrI₃同构（晶体布局可参考图1a）并具备非平淡拓扑电子态的新型二维铁磁性资料CrMX₆（M=Mn, V; X=I, Br）。正在最新的事情中，研究团队哄骗化学气相输运法胜利合成为了高品质二维CrVI₆单晶，经由过程磁光克尔效应（MOKE）表征了该系统薄层样品（图1b）的磁性布局并察看到体系性怪异“突出”（图1c）。该特性与块体的M-H磁滞回线彻底没有同，却与金属磁斯格明子系统的拓扑霍尔效应高度相似。该团队的实践阐发也标明，两种磁性原子Cr与V的共存会招致中间反演对称性破缺，并正在自旋轨道耦互助用下诱导出很强的Dzyaloshinskii–Moriya (DM)彼此作用（图1a），从而具有发生拓扑磁布局——斯格明子的条件前提。随后，经由过程原子标准的磁能源学摹拟（图1d）以及实践计较（图1e），展现出斯格明子的“拓扑荷”关于光电场下传导电子的散射是光学克尔角正在磁翻转历程中泛起“突出”旌旗灯号的宏观缘故原由。团队成员中国科年夜陆轻铀传授研究组经由过程磁力显微镜成像试验，察看到CrVI₆中带状磁布局演变为点状磁布局的磁场与磁光克尔“突出”对应的磁场一致，进一步左证了该光学克尔旌旗灯号的拓扑属性。

　　基于上述研究，团队凝练了“拓扑克尔效应”这一焦点观点，并提出了哄骗光学手腕开展拓扑磁布局无损/非侵入式探测的新方案。该方案基于交变光电场，不只可以对非金属系统中的斯格明子以及其它拓扑元引发开展空间辨别、无损、非接触式探测，并且正在道理上还可以涵盖金属系统，为展现拓扑磁布局的宏观机理供给无力的物理根蒂根基与表征方案。

　　该项研究事情获得了国度天然迷信基金委、科技部科技立异2030、中国迷信院B类先导专项、安徽省重年夜名目指导性名目等科研名目的撑持。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02465-5