I ett nyligen genomfört samarbete mellan High Magnetic Field Center vid Hefei Institutes of Physical Science vid den kinesiska vetenskapsakademin och University of Science and Technology i Kina, introducerade forskare konceptet med den topologiska Kerr-effekten (TKE) genom att använda låg- temperatur magnetfältsmikroskopisystem och magnetisk kraftmikroskopi avbildningssystem som stöds av steady-state experimentell anläggning med högt magnetfält.
Fynden, publicerade i Nature Physics , har ett betydande löfte för att främja vår förståelse av topologiska magnetiska strukturer.
Med sitt ursprung i partikelfysik representerar skyrmioner unika topologiska excitationer som finns i magnetiska material av kondenserad materia. Dessa strukturer, som kännetecknas av deras virvel eller ringliknande arrangemang av spinn, har icke-triviala egenskaper som gör dem till potentiella kandidater för nästa generations magnetiska lagrings- och logiska enheter.
Att upptäcka skyrmioner har dock traditionellt förlitat sig på den topologiska Hall-effekten (THE), som är begränsad till metalliska system. Med det växande riket av topologiska magnetiska material finns det ett trängande behov av karaktäriseringstekniker som är tillämpliga på ett bredare utbud av system, inklusive icke-metalliska skyrmioner.
Med utgångspunkt i upptäckten av tvådimensionella ferromagnetiska material 2017 förutspådde forskargruppen en ny klass av sådana material, CrMX6 (M=Mn, V; X=I, Br), som uppvisar icke-triviala topologiska elektroniska tillstånd.
I denna studie har teamet framgångsrikt syntetiserat högkvalitativt tvådimensionellt CrVI6 enkristaller och utförde exakta mikro-area magneto-optical Kerr effekt (MOKE) mätningar. Anmärkningsvärt nog avslöjade MOKE-hysteresloopen distinkta "kattöra"-formade prominenser inom specifika tjockleksintervall och temperaturintervall, som liknar den elektriska topologiska Hall-effekten som observeras i magnetiska skyrmionsystem.
Ytterligare teoretisk analys avslöjade att samexistensen av Cr- och V-atomer bryter central inversionssymmetri, det starka Dzyaloshinskii-Moriya-utbytet (DM) som leder till genereringen av topologiska magnetiska strukturer - skyrmioner.
Simuleringar av magnetisk dynamik i atomskala och teoretiska beräkningar avslöjade spridningen av ledande elektroner genom den "topologiska laddningen" av skyrmioner under ett fotoelektriskt fält, vilket klargjorde den mikroskopiska mekanismen bakom den optiska Kerr-signalen under magnetiseringsreversering.
Baserat på dessa resultat föreslog forskargruppen ett nytt schema för oförstörande detektering av topologiska magnetiska strukturer med hjälp av optiska metoder, utnyttjande av alternerande fotoelektriska fält och högmagnetisk fältspektroskopi.
Det här schemat erbjuder rumsligt upplöst, beröringsfri detektion av skyrmioner och andra topologiska excitationer, vilket ger värdefulla insikter om deras mikroskopiska mekanismer och breddar deras tillämpningsområde, enligt teamet.
Mer information: Xiaoyin Li et al, Topologiska Kerr-effekter i tvådimensionella magneter med bruten inversionssymmetri, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02465-5
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences
