近期，中國科學技術大學與中國科學院強磁場科學中心、山西師范大學、西安交通大學、河南大學、河南省科學院等單位合作，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，提出“拓撲克爾效應（TopologicalKerrEffect, TKE）”的概念。該成果4月4日以“Topological Kerr effects in two-dimensional magnets with broken inversion symmetry”為題在線發表于物理學知名期刊《自然·物理》（《Nature Physics》）。中國科大國際功能材料量子設計中心訪問博士后李肖音博士、新近畢業的強磁場中心劉財興博士和中國科大張穎博士為共同第一作者；中國科大張振宇教授、向斌教授以及強磁場中心盛志高研究員為共同通訊作者。

斯格明子（Skyrmion）的概念起源于粒子物理，后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，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，電學測量中的拓撲霍爾效應（Topological Hall Effect, THE）常作為其存在的有力判據之一，但電學測量通常僅適用于金屬體系。隨著拓撲磁性材料的有效拓展，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。

圖1.展示與凝練“拓撲克爾效應”的材料體系與物理過程。（a）新型二維磁性材料CrVI₆的空間反演對稱破缺晶體結構及其DM相互作用示意圖。（b）SiO₂/Si襯底上的薄層樣品的原子力顯微鏡圖像，顏色代表樣品不同區域的厚度變化。（c）不同溫度下的磁光克爾回線，低溫下展現出奇異反對稱“凸起”。（d）理論模擬磁場輔助下的局域磁矩分布，展示出點狀和條帶狀磁斯格明子。（e）理論計算的磁光克爾回線。

2017年，科學家們首次在實驗中發現二維鐵磁材料CrI₃和CrGeTe₃，引起領域的廣泛關注。在此基礎上，該團隊前期通過第一性原理計算預言了一類與CrI₃同構（晶體結構可參考圖1a）并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）。在最新的工作中，研究團隊利用化學氣相輸運法成功合成了高質量二維CrVI₆單晶，通過磁光克爾效應（MOKE）表征了該體系薄層樣品（圖1b）的磁性結構并觀察到系統性奇異“凸起”（圖1c）。該特征與塊體的M-H磁滯回線完全不同，卻與金屬磁斯格明子體系的拓撲霍爾效應高度相似。該團隊的理論分析也表明，兩種磁性原子Cr與V的共存會導致中心反演對稱性破缺，并在自旋軌道耦合作用下誘導出很強的Dzyaloshinskii–Moriya (DM)相互作用（圖1a），從而具備產生拓撲磁結構——斯格明子的前提條件。隨后，通過原子尺度的磁動力學模擬（圖1d）和理論計算（圖1e），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。團隊成員中國科大陸輕鈾教授研究組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。

基于上述研究，團隊凝煉了“拓撲克爾效應”這一核心概念，并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，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。

該項研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部科技創新2030、中國科學院B類先導專項、安徽省重大項目引導性項目等科研項目的支持。

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

（合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心、化學與材料科學學院、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院、科研部）