近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心、山西師范大學(xué)、西安交通大學(xué)、河南大學(xué)、河南省科學(xué)院等單位合作，在二維新型量子磁體斯格明子元激發(fā)的理論與實驗研究中取得重要進展，提出“拓撲克爾效應(yīng)（TopologicalKerrEffect, TKE）”的概念。該成果4月4日以“Topological Kerr effects in two-dimensional magnets with broken inversion symmetry”為題在線發(fā)表于物理學(xué)知名期刊《自然·物理》（《Nature Physics》）。中國科大國際功能材料量子設(shè)計中心訪問博士后李肖音博士、新近畢業(yè)的強磁場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、向斌教授以及強磁場中心盛志高研究員為共同通訊作者。
斯格明子（Skyrmion）的概念起源于粒子物理，后被廣泛應(yīng)用于描述凝聚態(tài)磁性材料中一類獨特的拓撲元激發(fā)，其自旋在實空間以旋渦狀或環(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，電學(xué)測量中的拓撲霍爾效應(yīng)（Topological Hall Effect, THE）常作為其存在的有力判據(jù)之一，但電學(xué)測量通常僅適用于金屬體系。隨著拓撲磁性材料的有效拓展，領(lǐng)域迫切需要發(fā)展適用于更多體系的表征手段，尤其是針對非金屬體系斯格明子的表征。
圖1.展示與凝練“拓撲克爾效應(yīng)”的材料體系與物理過程。（a）新型二維磁性材料CrVI6的空間反演對稱破缺晶體結(jié)構(gòu)及其DM相互作用示意圖。（b）SiO2/Si襯底上的薄層樣品的原子力顯微鏡圖像，顏色代表樣品不同區(qū)域的厚度變化。（c）不同溫度下的磁光克爾回線，低溫下展現(xiàn)出奇異反對稱“凸起”。（d）理論模擬磁場輔助下的局域磁矩分布，展示出點狀和條帶狀磁斯格明子。（e）理論計算的磁光克爾回線。
2017年，科學(xué)家們首次在實驗中發(fā)現(xiàn)二維鐵磁材料CrI3和CrGeTe3，引起領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。在此基礎(chǔ)上，該團隊前期通過第一性原理計算預(yù)言了一類與CrI3同構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)可參考圖1a）并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，通過磁光克爾效應(yīng)（MOKE）表征了該體系薄層樣品（圖1b）的磁性結(jié)構(gòu)并觀察到系統(tǒng)性奇異“凸起”（圖1c）。該特征與塊體的M-H磁滯回線完全不同，卻與金屬磁斯格明子體系的拓撲霍爾效應(yīng)高度相似。該團隊的理論分析也表明，兩種磁性原子Cr與V的共存會導(dǎo)致中心反演對稱性破缺，并在自旋軌道耦合作用下誘導(dǎo)出很強的Dzyaloshinskii–Moriya (DM)相互作用（圖1a），從而具備產(chǎn)生拓撲磁結(jié)構(gòu)——斯格明子的前提條件。隨后，通過原子尺度的磁動力學(xué)模擬（圖1d）和理論計算（圖1e），揭示出斯格明子的“拓撲荷”對于光電場下傳導(dǎo)電子的散射是光學(xué)克爾角在磁翻轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)“凸起”信號的微觀原因。團隊成員中國科大陸輕鈾教授研究組通過磁力顯微鏡成像實驗，觀察到CrVI6中帶狀磁結(jié)構(gòu)演化為點狀磁結(jié)構(gòu)的磁場與磁光克爾“凸起”對應(yīng)的磁場一致，進一步佐證了該光學(xué)克爾信號的拓撲屬性。
基于上述研究，團隊凝煉了“拓撲克爾效應(yīng)”這一核心概念，并提出了利用光學(xué)手段開展拓撲磁結(jié)構(gòu)無損/非侵入式探測的新方案。該方案基于交變光電場，不僅可以對非金屬體系中的斯格明子和其它拓撲元激發(fā)開展空間分辨、無損、非接觸式探測，而且在原理上還可以涵蓋金屬體系，為揭示拓撲磁結(jié)構(gòu)的微觀機理提供有力的物理基礎(chǔ)與表征方案。
該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部科技創(chuàng)新2030、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項、安徽省重大項目引導(dǎo)性項目等科研項目的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02465-5
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
