二维量子磁体中观察到新奇“拓扑克尔效应”

记者4月7日从中国科学技术大学获悉，该校国际功能材料量子设计中心访问博士后李肖音，与中国科学院强磁场科学中心等单位合作，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。他们创造性地提出了“拓扑克尔效应”的概念，并将研究成果在线发表于国际期刊《自然-物理》。

斯格明子的概念起源于粒子物理，现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，有望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常被作为其存在的有力判据之一。但是，电学测量通常仅适用于金属体系。随着拓扑磁性材料的拓展，该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。

研究团队利用化学气相输运法，成功合成了高质量二维铁磁材料单晶。他们通过磁光克尔效应，表征了该体系薄层样品的磁性结构，并观察到系统性奇异“凸起”。该特征与金属磁斯格明子体系的拓扑霍尔效应高度相似。

随后，研究团队通过原子尺度的磁动力学模拟和理论计算，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。通过磁力显微镜成像实验，该光学克尔信号的拓扑属性也得以进一步佐证。

研究人员表示，这项研究凝练了“拓扑克尔效应”这一核心概念，不仅可以对非金属体系中的斯格明子和其他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。