近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位合作，依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展，提出“拓?fù)淇藸栃?yīng)”（Topological Kerr Effect, TKE）的概念。該成果于2024年4月4日在線發(fā)表于物理學(xué)權(quán)威期刊自然物理 Nature Physics 。

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(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，常借助電學(xué)測(cè)量中的拓?fù)浠魻栃?yīng)(Topological Hall Effect, THE)作為其存在的有力判據(jù)之一，但電學(xué)測(cè)量?jī)H適用于金屬體系。隨著拓?fù)浯判圆牧系挠行卣?，斯格明子領(lǐng)域迫切需要發(fā)展適用于更多體系的表征手段，例如針對(duì)非金屬體系斯格明子的表征。

2017年，科學(xué)家們首次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了二維鐵磁材料CrI3和CrGeTe3，引起領(lǐng)域同行的廣泛關(guān)注。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算預(yù)言了一類與CrI3同構(gòu)、但具有非平庸拓?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，依托SHMFF的低溫磁場(chǎng)顯微光學(xué)系統(tǒng)，強(qiáng)磁場(chǎng)中心盛志高課題組開展了高精度微區(qū)磁光克爾效應(yīng)（MOKE）研究，確認(rèn)了薄層CrVI6材料亦具有鐵磁基態(tài)。最為令人驚奇的是，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(gè)反對(duì)稱的貓耳狀“凸起”（圖1c）。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(xué)拓?fù)浠魻栃?yīng)高度相似。

進(jìn)一步的理論分析表明，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)交換作用（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，團(tuán)隊(duì)通過原子尺度的磁動(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)過程中出現(xiàn)“凸起”信號(hào)的微觀原因。團(tuán)隊(duì)成員強(qiáng)磁場(chǎng)中心陸輕鈾課題組通過磁力顯微鏡成像實(shí)驗(yàn)，觀察到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?

基于上述結(jié)果，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)凝練了“拓?fù)淇藸栃?yīng)”這一核心概念，并基于這一概念提出了利用光學(xué)手段開展拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)無損/非侵入式探測(cè)的新方案。該方案基于交變光電場(chǎng)，在直流電學(xué)“拓?fù)浠魻栃?yīng)”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步放寬了對(duì)材料導(dǎo)電性的要求（金屬/非金屬均可），大大拓寬應(yīng)用范圍。而且，強(qiáng)磁場(chǎng)光譜學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得這一方案可以對(duì)斯格明子和其它拓?fù)湓ぐl(fā)開展空間分辨、無損、非接觸式探測(cè)，為揭示拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的微觀機(jī)理提供了有力的物理基礎(chǔ)與表征手段。

中國(guó)科大李肖音博士、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、向斌教授和強(qiáng)磁場(chǎng)中心盛志高研究員為共同通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金大科學(xué)裝置聯(lián)合基金、安徽省重大項(xiàng)目引導(dǎo)性項(xiàng)目等項(xiàng)目和強(qiáng)磁場(chǎng)安徽省實(shí)驗(yàn)室的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02465-5

圖1. 展示與凝練“拓?fù)淇藸栃?yīng)”的材料體系與物理過程。（a）CrVI6的空間反演對(duì)稱破缺晶體結(jié)構(gòu)。（b）薄層樣品原子力顯微形貌圖。（c）不同溫度下的磁光克爾回線，低溫下的信號(hào)系統(tǒng)展現(xiàn)奇異反對(duì)稱“凸起”。（d）CrVI6的Kondo晶格模型，在磁場(chǎng)輔助下形成的點(diǎn)狀和條帶狀磁斯格明子。（e）理論計(jì)算的磁光克爾回線。

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