二維量子磁體中觀察到新奇“拓撲克爾效應”

記者7日從中國科學技術大學獲悉，該校國際功能材料量子設計中心訪問博士后李肖音等，與中國科學院強磁場科學中心等單位合作，在二維新型量子磁體斯格明子元激發的理論與實驗研究中取得重要進展。他們創造性地提出了“拓撲克爾效應”的概念，并將研究成果日前在線發表于國際期刊《自然·物理》。

斯格明子的概念起源于粒子物理，現被廣泛應用于描述凝聚態磁性材料中一類獨特的拓撲元激發。其自旋在實空間以旋渦狀或環狀排列，并整體具有非平庸拓撲特性，有望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，電學測量中的拓撲霍爾效應常被作為其存在的有力判據之一。但是，電學測量通常僅適用于金屬體系。隨著拓撲磁性材料的拓展，該領域迫切需要發展適用于更多體系的表征手段，尤其是針對非金屬體系斯格明子的表征。

研究團隊利用化學氣相輸運法，成功合成了高質量二維鐵磁材料單晶。他們通過磁光克爾效應，表征了該體系薄層樣品的磁性結構，并觀察到系統性奇異“凸起”。該特征與金屬磁斯格明子體系的拓撲霍爾效應高度相似。

隨后，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過程中出現“凸起”信號的微觀原因。通過磁力顯微鏡成像實驗，該光學克爾信號的拓撲屬性也得以進一步佐證。

研究人員表示，這項研究凝煉了“拓撲克爾效應”這一核心概念，不僅可以對非金屬體系中的斯格明子和其它拓撲元激發開展空間分辨、無損、非接觸式探測，而且在原理上還可以涵蓋金屬體系，為揭示拓撲磁結構的微觀機理提供有力的物理基礎與表征方案。