新型磁性材料   二維量子磁體中的「拓撲克爾效應」

編譯／高晟鈞

中國科學院與中國科學技術大學的研究團隊，首次在二維量子磁體中發現了「拓樸克爾效應」（Topological Kerr Effect），這將增加對拓樸磁性結構的理解帶來重大幫助。

克爾效應

克爾效應（Kerr Effect）也稱「二次電光效應」，是物質因響應外電場的作用而改變其折射率的一種效應，主要在液體、非晶質與磁性材料中出現。

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在磁性材料中的克爾效應被稱為磁光克爾效應，柯爾磁光效應對固體的自旋相關的電子能帶結構相當敏感。因此柯爾磁光效應是ㄧ種獨特的研究磁性材料中電子行為的實驗方法。

透過柯爾磁光效應對磁性超薄膜的研究，不但能帶動相關科學知識之突破，對於微小元件設計開發、推動電子元件奈米化以及製造高儲存密度的光碟與硬碟，都有著重要的幫助。

新型磁性材料的發現

斯格明子（Skyrmion）起源於粒子物理學，現多用於凝聚態物理學。理論表示，在凝聚態磁性材料中可以形成穩定的斯格明子基態。這些結構的特徵是自旋的渦旋或環狀排列，具有重要的特性，使它們成為下一代磁性儲存和邏輯裝置的潛在候選者。

然而，檢測斯格明子傳統上依賴拓樸霍爾效應（Topological Hall Effect），該效應僅限於金屬系統。隨著拓樸磁性材料領域的不斷擴大，迫切需要適用於更廣泛系統（包括非金屬斯格明子）的表徵技術。

在這項研究中，研究團隊成功合成了高品質的二維CrVI₆材料，並進行了精確地磁光克爾效應測量，觀測到了與磁性斯格明子系統中一樣的電拓樸霍爾效應。經過進一步的理論分析，Cr和V原子的共存打破了材料本身的反向不對稱性（bulk inversion symmetry），強烈的反對稱交換作用（Dzyaloshinskii-Moriya）導致了拓撲磁性結構「斯格明子」的產生。

基於這些發現，研究小組提出了一種利用光學方法、交變光電場和高磁場光譜技術、無損檢測拓樸磁結構的新方案。團隊表示，該方案提供了斯格明子和其他拓樸激發的空間分辨和非接觸式檢測，為了解拓樸材料微觀機制提供了寶貴的見解，並擴大了其應用範圍的潛力。

資料來源:ScitechDaily

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