近日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院與中國科學技術(shù)大學等合作，依托穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置（SHMFF），在二維新型量子磁體斯格明子元激發(fā)的理論與實驗研究中取得進展，提出“拓撲克爾效應”的概念。

斯格明子的概念起源于粒子物理，被廣泛應用于描述凝聚態(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，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，常借助電學測量中的拓撲霍爾效應作為其存在的有力判據(jù)之一，但電學測量僅適用于金屬體系。隨著拓撲磁性材料的有效拓展，斯格明子領域迫切需要發(fā)展適用于更多體系的表征手段，如針對非金屬體系斯格明子的表征。??

2017年，科學家在實驗中發(fā)現(xiàn)了二維鐵磁材料CrI₃和CrGeTe₃。在此基礎上，研究團隊通過第一性原理計算預言了一類與CrI₃同構(gòu)、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）。此次，研究團隊利用化學氣相輸運法合成了高質(zhì)量二維CrVI₆單晶，依托SHMFF的低溫磁場顯微光學系統(tǒng)，開展了高精度微區(qū)磁光克爾效應研究，確認了薄層CrVI₆材料亦具有鐵磁基態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，在特定的厚度范圍、溫度區(qū)間內(nèi)，磁光克爾回線的磁化反轉(zhuǎn)區(qū)出現(xiàn)了兩個反對稱的貓耳狀“凸起”。該特征與塊體的M-H磁滯回線完全不同，卻與典型磁斯格明子體系中的電學拓撲霍爾效應高度相似。 ?

進一步理論分析表明，兩種磁性原子Cr與V的共存會導致中心反演對稱性破缺，在自旋軌道耦合作用下誘導出很強的Dzyaloshinskii–Moriya交換作用，從而具備產(chǎn)生拓撲磁結(jié)構(gòu)——斯格明子的前提條件。研究團隊通過原子尺度的磁動力學模擬和理論計算，揭示出斯格明子的“拓撲荷”對于光電場下傳導電子的散射是光學克爾角在磁翻轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)“凸起”信號的微觀原因。研究人員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”對應的磁場一致，進一步佐證了該光學克爾信號的拓撲屬性。 ?

基于上述結(jié)果，合作團隊凝練了“拓撲克爾效應”這一核心概念，基于這一概念提出了利用光學手段開展拓撲磁結(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，在直流電學“拓撲霍爾效應”的基礎上，進一步放寬了對材料導電性的要求，拓寬了應用范圍。強磁場光譜學的技術(shù)優(yōu)勢使得這一方案可以對斯格明子和其他拓撲元激發(fā)開展空間分辨、無損、非接觸式探測，為揭示拓撲磁結(jié)構(gòu)的微觀機理奠定了物理基礎、提供了表征手段。 ?

相關成果發(fā)表在《自然-物理學》（Nature Physics）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃等的支持。

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“拓撲克爾效應”的材料體系與物理過程