Forskere opdager topologisk Kerr-effekt i todimensionelle kvantemagneter

I et nyligt samarbejde mellem High Magnetic Field Center ved Hefei Institutes of Physical Science ved det kinesiske videnskabsakademi og University of Science and Technology of China introducerede forskere konceptet med den topologiske Kerr-effekt (TKE) ved at bruge den lav- temperatur magnetisk felt mikroskopi system og magnetisk kraft mikroskopi billeddannelsessystem understøttet af steady-state højmagnetisk felt eksperimentel facilitet.

Resultaterne, offentliggjort i Nature Physics , har et betydeligt løfte om at fremme vores forståelse af topologiske magnetiske strukturer.

Med oprindelse i partikelfysik repræsenterer skyrmioner unikke topologiske excitationer fundet i magnetiske materialer af kondenseret stof. Disse strukturer, der er karakteriseret ved deres hvirvel eller ringlignende arrangement af spins, besidder ikke-trivielle egenskaber, der gør dem til potentielle kandidater til næste generation af magnetiske lagrings- og logiske enheder.

Påvisning af skyrmioner har dog traditionelt været afhængig af den topologiske Hall-effekt (THE), som er begrænset til metalliske systemer. Med det ekspanderende område af topologiske magnetiske materialer er der et presserende behov for karakteriseringsteknikker, der kan anvendes til en bredere række af systemer, herunder ikke-metalliske skyrmioner.

Med udgangspunkt i opdagelsen af ​​todimensionelle ferromagnetiske materialer i 2017 forudsagde forskerholdet en ny klasse af sådanne materialer, CrMX₆ (M=Mn, V; X=I, Br), som udviser ikke-trivielle topologiske elektroniske tilstande.

I denne undersøgelse har teamet succesfuldt syntetiseret højkvalitets todimensional CrVI₆ enkeltkrystaller og udførte præcise mikro-område magneto-optisk Kerr effekt (MOKE) målinger. Bemærkelsesværdigt afslørede MOKE-hysteresesløjfen karakteristiske "katteøre"-formede fremspring inden for specifikke tykkelsesintervaller og temperaturintervaller, der ligner den elektriske topologiske Hall-effekt observeret i magnetiske skyrmionsystemer.

Yderligere teoretisk analyse afslørede, at sameksistensen af ​​Cr- og V-atomer bryder den centrale inversionssymmetri, den stærke Dzyaloshinskii-Moriya (DM)-udveksling, der fører til generering af topologiske magnetiske strukturer - skyrmioner.

Simulationer af magnetisk dynamik i atom-skala og teoretiske beregninger afslørede spredningen af ​​ledende elektroner ved den "topologiske ladning" af skyrmioner under et fotoelektrisk felt, hvilket belyser den mikroskopiske mekanisme bag det optiske Kerr-signal under magnetiseringsvending.

Baseret på disse resultater foreslog forskerholdet en ny ordning til ikke-destruktiv detektion af topologiske magnetiske strukturer ved hjælp af optiske metoder, udnyttelse af alternerende fotoelektriske felter og højmagnetisk feltspektroskopi.

Dette skema tilbyder rumligt løst, berøringsfri detektion af skyrmioner og andre topologiske excitationer, hvilket giver værdifuld indsigt i deres mikroskopiske mekanismer og udvider deres anvendelsesområde, ifølge holdet.

Flere oplysninger: Xiaoyin Li et al., Topologiske Kerr-effekter i todimensionelle magneter med brudt inversionssymmetri, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02465-5

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences