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  • 科學家在二維量子磁體中發現“拓撲克爾效應”

    2024-04-12 16:28 來源:環球網 閱讀數:747

    【環球網科技綜合報道】4月12日消息,根據中國科學院官網消息,近日,中國科學院合肥物質科學研究院與中國科學技術大學等合作,依托穩態強磁場實驗裝置(SHMFF),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進展,提出“拓撲克爾效應”的概念。

    據悉,相關成果發表在《自然·物理學》(Nature Physics)上。

    資料顯示,斯格明子的概念起源于粒子物理,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,整體具有非平庸拓撲特性,可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,常借助電學測量中的拓撲霍爾效應作為其存在的有力判據之一,但電學測量僅適用于金屬體系。隨著拓撲磁性材料的有效拓展,斯格明子領域迫切需要發展適用于更多體系的表征手段,如針對非金屬體系斯格明子的表征。??

    2017年,科學家在實驗中發現了二維鐵磁材料CrI3和CrGeTe3。在此基礎上,研究團隊通過第一性原理計算預言了一類與CrI3同構、但具有非平庸拓撲電子態的新型二維鐵磁性材料CrMX6(M=Mn, V; X=I, Br)。此次,研究團隊利用化學氣相輸運法合成了高質量二維CrVI6單晶,依托SHMFF的低溫磁場顯微光學系統,開展了高精度微區磁光克爾效應研究,確認了薄層CrVI6材料亦具有鐵磁基態。

    研究發現,在特定的厚度范圍、溫度區間內,磁光克爾回線的磁化反轉區出現了兩個反對稱的貓耳狀“凸起”。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拓撲霍爾效應高度相似。 ?

    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。研究人員通過磁力顯微鏡成像實驗,觀察到CrVI6中帶狀磁結構演化為點狀磁結構的磁場與磁光克爾“凸起”對應的磁場一致,進一步佐證了該光學克爾信號的拓撲屬性。 ?

    基于上述結果,合作團隊凝練了“拓撲克爾效應”這一核心概念,基于這一概念提出了利用光學手段開展拓撲磁結構無損/非侵入式探測的新方案。該方案基于交變光電場,在直流電學“拓撲霍爾效應”的基礎上,進一步放寬了對材料導電性的要求,拓寬了應用范圍。強磁場光譜學的技術優勢使得這一方案可以對斯格明子和其他拓撲元激發開展空間分辨、無損、非接觸式探測,為揭示拓撲磁結構的微觀機理奠定了物理基礎、提供了表征手段。 ?

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