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二维磁体中的拓扑克尔效应:揭示斯格明子的新方法

科学探索万象经验2024-06-16

斯格明子起源于粒子物理学,代表了在凝聚态磁性材料中发现的独特拓扑激发。这些结构以旋涡或环状自旋排列为特征,具有非凡的特性,使其成为下一代磁存储和逻辑器件的潜在候选者。

然而,探测斯格明子传统上依赖于拓扑霍尔效应,该效应仅限于金属系统。随着拓扑磁性材料领域的不断扩大,迫切需要适用于更广泛系统的表征技术,包括非金属斯格明子。最近,发表在《自然物理》的一项研究,用二维材料中拓扑克尔效应的概念解决了这一难题。

材料中的拓扑现象的特性是在连续变形下保持不变。这些属性通常由拓扑不变量描述,这是在此类变形下保持恒定的整数量。在磁性的背景下,像斯格明子这样的拓扑结构,展示了量子化的拓扑电荷,使它们对扰动具有鲁棒性。

二维磁体是磁性材料的薄层,其中磁相互作用主要在平面内发生。这些材料的对称性在其磁性质中起着关键作用,特别是破缺反演对称性的材料缺乏对称中心,导致在具有中心对称性的材料中未发现的独特磁行为。

拓扑克尔效应是在破缺反演对称性的二维磁体中观察到的一种磁光现象。它表现为克尔角滞回环中的独特特征,如反对称性的凸起,这些直接表现了斯格明子的拓扑电荷。这些特征作为检测斯格明子的磁光指纹,否则它们很难被识别。

传统的磁光克尔效应是一种利用光探测磁性质的成熟技术。然而,由于缺乏导电性,磁光克尔效应经常难以检测绝缘二维磁体中的斯格明子。新研究提供了一个令人信服的替代方案,通过使用特定能量范围内的光,拓扑克尔效应利用了斯格明子的“拓扑电荷”对光的散射。这种散射改变了反射光的偏振,为斯格明子的存在和动力学提供了独特的特征。

研究人员已经成功地在最近发现的二维铁磁材料(CrVI6)中证明了拓扑克尔效应。通过在这些材料的薄膜上使用磁光克尔显微镜,科学家们观察到克尔信号中的特征“凸起”。研究表明,CrVI6的克尔角滞回环显示出两个反对称的凸起,这在具有中心对称性的化合物如CrI3和VI3中是不存在的。这一发现至关重要,因为这是斯格明子散射的直接结果。

已经发展了理论模型来解释拓扑克尔效应,拓扑克尔效应核心是自旋-轨道耦合和破缺反演对称性之间的相互作用。自旋-轨道耦合指的是原子内电子自旋与其轨道运动之间的相互作用。在具有破缺反演对称性的材料中,原子排列缺乏反演中心,这意味着它在通过特定点镜像时并非完全相同。这种破缺反演对称性允许出现Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,它可以扭曲邻近的电子自旋,从而产生手性结构。

探索具有破缺反演对称性的二维磁体中的拓扑克尔效应,证明了拓扑学和磁性之间丰富的相互作用。这种新颖的技术为探测斯格明子提供了一种强大的工具,并为设计下一代利用拓扑结构鲁棒性的磁性材料和设备开辟了新的途径。


(www.ws46.cOm)
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