研究人员在二维量子磁体中发现拓扑霍尔效应

在近日发表于 《自然·物理》杂志上的一项研究中，中国科学院合肥物质科学研究院的研究人员与中国科学技术大学的研究人员合作，利用稳态强磁场实验装置支撑的低温磁场显微镜系统和磁力显微镜成像系统，引入了“拓扑克尔效应”的概念。

这项研究对增进我们对拓扑磁结构的理解具有重要意义。

起源于粒子物理学的 skyrmion 是凝聚态磁性材料中发现的独特拓扑激发。这些结构以涡旋或环状自旋排列为特征，具有非平凡的性质，使其成为下一代磁存储和逻辑设备的潜在候选者。然而，skyrmion 的检测传统上依赖于拓扑霍尔效应，而这种效应仅限于金属系统。随着拓扑磁性材料领域的扩展，迫切需要适用于更广泛系统(包括非金属 skyrmion)的表征技术。

在2017年发现二维铁磁材料的基础上，研究人员预测了一类新的此类材料CrMX 6 (M=Mn，V;X=I，Br)，它们表现出非平凡的拓扑电子态。

他们合成了高质量的二维 CrVI 6 单晶，并进行了精确的微区磁光克尔效应 (MOKE) 测量。值得注意的是，MOKE 磁滞回线在一定厚度范围和温度间隔内显示出独特的“猫耳”形突起，类似于在磁性 skyrmion 系统中观察到的电拓扑霍尔效应。

进一步的理论分析表明，Cr和V原子的共存打破了中心反演对称性，强的Dzyaloshinskii-Moriya交换导致拓扑磁结构——skyrmion的产生。

原子尺度磁动力学模拟与理论计算揭示了光电场下skyrmion的“拓扑电荷”对导电电子的散射，阐明了磁化反转过程中光克尔信号背后的微观机制。

基于这些研究成果，研究人员提出了一种利用交变光电场和高磁场光谱的光学方法无损检测拓扑磁结构的新方案。

研究团队表示，该方案可以对天元和其他拓扑激发进行空间分辨、非接触式检测，为其微观机制提供宝贵见解，拓宽其应用范围。

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