强磁场与中国科大联合团队在二维量子磁体中发现“拓扑克尔效应”
近期，中国科学院合肥物质院强磁场中心与中国科学技术大学等单位合作，依托稳态强磁场实验装置(SHMFF)，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。
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，常借助电学测量中的拓扑霍尔效应(Topological Hall Effect, THE)作为其存在的有力判据之一，但电学测量仅适用于金属体系。随着拓扑磁性材料的有效拓展，斯格明子领域迫切需要发展适用于更多体系的表征手段，例如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）CrVI6的空间反演对称破缺晶体结构。（b）薄层样品原子力显微形貌图。（c）不同温度下的磁光克尔回线，低温下的信号系统展现奇异反对称“凸起”。（d）CrVI6的Kondo晶格模型，在磁场辅助下形成的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，引起领域同行的广泛关注。在此基础上，团队通过第一性原理计算预言了一类与CrI3同构、但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，依托SHMFF的低温磁场显微光学系统，强磁场中心盛志高课题组开展了高精度微区磁光克尔效应（MOKE）研究，确认了薄层CrVI6材料亦具有铁磁基态。最为令人惊奇的是，在特定的厚度范围、温度区间内，磁光克尔回线的磁化反转区出现了两个反对称的猫耳状“凸起”（图1c）。该特征与块体的M-H磁滞回线完全不同，却与典型磁斯格明子体系中的电学拓扑霍尔效应高度相似。
进一步的理论分析表明，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)交换作用（图1a），从而具备产生拓扑磁结构——斯格明子的前提条件。随后，团队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。团队成员强磁场中心陆轻铀课题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。
基于上述结果，联合研究团队凝练了“拓扑克尔效应”这一核心概念，并基于这一概念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，在直流电学“拓扑霍尔效应”的基础上，进一步放宽了对材料导电性的要求（金属/非金属均可），大大拓宽应用范围。而且，强磁场光谱学的技术优势使得这一方案可以对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，为揭示拓扑磁结构的微观机理提供了有力的物理基础与表征手段。
中国科大李肖音博士、强磁场中心刘财兴博士和中国科大张颖博士为共同第一作者；中国科大张振宇教授、向斌教授和强磁场中心盛志高研究员为共同通讯作者。该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金大科学装置联合基金、安徽省重大项目引导性项目等项目和强磁场安徽省实验室的支持。