近期，中国科学技术大学与中国科学院强磁场科学中心、山西师范大学、西安交通大学、河南大学、河南省科学院等单位合作，在二维新型量子磁体斯格明子元激发的理论与实验研究中取得重要进展，提出“拓扑克尔效应（Topological Kerr Effect, TKE）”的概念。该成果以“Topological Kerr effects in two-dimensional magnets with broken inversion symmetry”为题于2024年4月4日在线发表于物理学权威期刊《自然物理》（《Nature Physics》）。我中心访问博士后李肖音博士、新近毕业的强磁场中心刘财兴博士和中科大张颖博士为共同第一作者；我中心张振宇教授、中科大向斌教授以及强磁场中心盛志高研究员为共同通讯作者。
斯格明子（Skyrmion）的概念起源于粒子物理，后被广泛应用于描述凝聚态磁性材料中一类独特的拓扑元激发，其自旋在实空间以旋涡状或环状排列，并整体具有非平庸拓扑特性，可成为新一代磁存储及逻辑器件的信息载体。对于斯格明子的表征，电学测量中的拓扑霍尔效应（Topological Hall Effect, THE）常作为其存在的有力判据之一，但电学测量通常仅适用于金属体系。随着拓扑磁性材料的有效拓展，领域迫切需要发展适用于更多体系的表征手段，尤其是针对非金属体系斯格明子的表征。
图1. 展示与凝练“拓扑克尔效应”的材料体系与物理过程。（a）新型二维磁性材料CrVI6的空间反演对称破缺晶体结构及其DM相互作用示意图。（b）SiO2/Si衬底上的薄层样品的原子力显微镜图像，颜色代表样品不同区域的厚度变化。（c）不同温度下的磁光克尔回线，低温下展现出奇异反对称“凸起” 。（d）理论模拟磁场辅助下的局域磁矩分布，展示出点状和条带状磁斯格明子。（e）理论计算的磁光克尔回线。
2017年，科学家们首次在实验中发现了二维铁磁材料CrI3和CrGeTe3，引起领域的广泛关注。在此基础上，该团队前期通过第一性原理计算预言了一类与CrI3同构（晶体结构可参考图1a）并具有非平庸拓扑电子态的新型二维铁磁性材料CrMX6（M=Mn, V; X=I, Br）。在最新的工作中，研究团队利用化学气相输运法成功合成了高质量二维CrVI6单晶，通过磁光克尔效应（MOKE）表征了该体系薄层样品（图1b）的磁性结构并观察到系统性奇异“凸起”（图1c）。该特征与块体的M-H磁滞回线完全不同，却与金属磁斯格明子体系的拓扑霍尔效应高度相似。该团队的理论分析也表明，两种磁性原子Cr与V的共存会导致中心反演对称性破缺，并在自旋轨道耦合作用下诱导出很强的Dzyaloshinskii–Moriya (DM)相互作用（图1a），从而具备产生拓扑磁结构——斯格明子的前提条件。随后，通过原子尺度的磁动力学模拟（图1d）和理论计算（图1e），揭示出斯格明子的“拓扑荷”对于光电场下传导电子的散射是光学克尔角在磁翻转过程中出现“凸起”信号的微观原因。团队成员中科大陆轻铀教授研究组通过磁力显微镜成像实验，观察到CrVI6中带状磁结构演化为点状磁结构的磁场与磁光克尔“凸起”对应的磁场一致，进一步佐证了该光学克尔信号的拓扑属性。
基于上述研究，团队凝炼了“拓扑克尔效应”这一核心概念，并提出了利用光学手段开展拓扑磁结构无损/非侵入式探测的新方案。该方案基于交变光电场，不仅可以对非金属体系中的斯格明子和其它拓扑元激发开展空间分辨、无损、非接触式探测，而且在原理上还可以涵盖金属体系，为揭示拓扑磁结构的微观机理提供有力的物理基础与表征方案。
该项研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部科技创新2030、中国科学院B类先导专项、安徽省重大项目引导性项目等科研项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02465-5
