近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展，提出“拓?fù)淇藸栃?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(xiàn)發(fā)表于物理學(xué)知名期刊《自然·物理》（《Nature Physics》）。中國(guó)科大國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心訪(fǎng)問(wèn)博士后李肖音博士、新近畢業(yè)的強(qiáng)磁場(chǎng)中心劉財(cái)興博士和中國(guó)科大張穎博士為共同第一作者；中國(guó)科大張振宇教授、向斌教授以及強(qiáng)磁場(chǎng)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(lèi)獨(dú)特的拓?fù)湓ぐl(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?fù)涮匦?，可成為新一代磁存?chǔ)及邏輯器件的信息載體。對(duì)于斯格明子的表征，電學(xué)測(cè)量中的拓?fù)浠魻栃?yīng)（Topological Hall Effect, THE）常作為其存在的有力判據(jù)之一，但電學(xué)測(cè)量通常僅適用于金屬體系。隨著拓?fù)浯判圆牧系挠行卣?，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(duì)非金屬體系斯格明子的表征。
圖1.展示與凝練“拓?fù)淇藸栃?yīng)”的材料體系與物理過(guò)程。（a）新型二維磁性材料CrVI6的空間反演對(duì)稱(chēng)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(xiàn)，低溫下展現(xiàn)出奇異反對(duì)稱(chēng)“凸起”。（d）理論模擬磁場(chǎng)輔助下的局域磁矩分布，展示出點(diǎn)狀和條帶狀磁斯格明子。（e）理論計(jì)算的磁光克爾回線(xiàn)。
2017年，科學(xué)家們首次在實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)前期通過(guò)第一性原理計(jì)算預(yù)言了一類(lèi)與CrI3同構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)可參考圖1a）并具有非平庸拓?fù)潆娮討B(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(tuán)隊(duì)利用化學(xué)氣相輸運(yùn)法成功合成了高質(zhì)量二維CrVI6單晶，通過(guò)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(guān)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(xiàn)完全不同，卻與金屬磁斯格明子體系的拓?fù)浠魻栃?yīng)高度相似。該團(tuán)隊(duì)的理論分析也表明，兩種磁性原子Cr與V的共存會(huì)導(dǎo)致中心反演對(duì)稱(chēng)性破缺，并在自旋軌道耦合作用下誘導(dǎo)出很強(qiáng)的Dzyaloshinskii–Moriya (DM)相互作用（圖1a），從而具備產(chǎn)生拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)——斯格明子的前提條件。隨后，通過(guò)原子尺度的磁動(dòng)力學(xué)模擬（圖1d）和理論計(jì)算（圖1e），揭示出斯格明子的“拓?fù)浜伞睂?duì)于光電場(chǎng)下傳導(dǎo)電子的散射是光學(xué)克爾角在磁翻轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)“凸起”信號(hào)的微觀(guān)原因。團(tuán)隊(duì)成員中國(guó)科大陸輕鈾教授研究組通過(guò)磁力顯微鏡成像實(shí)驗(yàn)，觀(guān)察到CrVI6中帶狀磁結(jié)構(gòu)演化為點(diǎn)狀磁結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)與磁光克爾“凸起”對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)一致，進(jìn)一步佐證了該光學(xué)克爾信號(hào)的拓?fù)鋵傩浴?/p>
基于上述研究，團(tuán)隊(duì)凝煉了“拓?fù)淇藸栃?yīng)”這一核心概念，并提出了利用光學(xué)手段開(kāi)展拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)無(wú)損/非侵入式探測(cè)的新方案。該方案基于交變光電場(chǎng)，不僅可以對(duì)非金屬體系中的斯格明子和其它拓?fù)湓ぐl(fā)開(kāi)展空間分辨、無(wú)損、非接觸式探測(cè)，而且在原理上還可以涵蓋金屬體系，為揭示拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的微觀(guān)機(jī)理提供有力的物理基礎(chǔ)與表征方案。
該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部科技創(chuàng)新2030、中國(guó)科學(xué)院B類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、安徽省重大項(xiàng)目引導(dǎo)性項(xiàng)目等科研項(xiàng)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(guó)家研究中心國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
