最近，中国科技大学与中国科学院强磁场科学中心、山西师范大学、西安交通大学、河南大学、河南科学院等单位合作，在二维新型量子磁体斯格明子元激起的理论与实验研究中获得要紧进展，提出“拓扑克尔效应（TopologicalKerrEffect, TKE）”的定义。该成就4月4日以“Topological Kerr effects in two-dimensional magnets with broken inversion symmetry”为题在线发表于物理学知名期刊《自然·物理》（《Nature Physics》）。

斯格明子（Skyrmion）的定义起来自于粒子物理，后被广泛应用于描述凝聚态磁性材料中一类独特的拓扑元激起，其自旋在实空间以旋涡状或环状排列，并整体具备非平庸拓扑特质，可成为新一代磁存储及逻辑器件的信息载体。对于斯格明子的表征，电学测量中的拓扑霍尔效应（Topological Hall Effect, THE）常作为其存在的有力判据之一，但电学测量一般仅适用于金属体系。伴随拓扑磁性材料的有效拓展，范围迫切需要进步适用于更多体系的表征方法，特别是针对非金属体系斯格明子的表征。

图1.展示与凝练“拓扑克尔效应”的材料体系与物理过程。（a）新型二维磁性材料CrVI6的空间反演对称破缺晶体结构及其DM相互用途示意图。（b）SiO2/Si衬底上的薄层样品的原子力显微镜图像，颜色代表样品不同地区的厚度变化。（c）不同温度下的磁光克尔回线，低温下展示出奇异反对称“凸起”。（d）理论模拟磁场辅助下的局域磁矩分布，展示出点状和条带状磁斯格明子。（e）理论计算的磁光克尔回线。

2017年，科学家们初次在实验中发现二维铁磁材料CrI3和CrGeTe3，引起范围的广泛关注。在此基础上，该团队前期通过第一性原理计算预言了一类与CrI3同构（晶体结构可参考图1a）并具备非平庸拓扑电子态的新型二维铁磁性材料CrMX6（M=Mn, V; X=I, Br）。在最新的工作中，研究团队借助化学气相输运法成功合成了优质二维CrVI6单晶，通过磁光克尔效应（MOKE）表征了该体系薄层样品（图1b）的磁性结构并察看到系统性奇异“凸起”（图1c）。该特点与块体的M-H磁滞回线完全不同，却与金属磁斯格明子体系的拓扑霍尔效应高度相似。该团队的理论剖析也表明，两种磁性原子Cr与V的共存会致使中心反演对称性破缺，并在自旋轨道耦合用途下诱导出非常强的Dzyaloshinskii–Moriya (DM)相互用途（图1a），从而拥有产生拓扑磁结构——斯格明子的首要条件条件。随后，通过原子尺度的磁动力学模拟（图1d）和理论计算（图1e），揭示出斯格明子的“拓扑荷”对于光电场下传导电子的散射是光学克尔角在磁翻转过程中出现“凸起”信号的微观缘由。团队成员中国科国内轻铀教授研究组通过磁力显微镜成像实验，察看到CrVI6中带状磁结构演化为点状磁结构的磁场与磁光克尔“凸起”对应的磁场一致，进一步佐证了该光学克尔信号的拓扑属性。

基于上述研究，团队凝炼了“拓扑克尔效应”这一核心定义，并提出了借助光学方法拓展拓扑磁结构无损/非侵入式探测的新策略。该策略基于交变光电场，不仅能够对非金属体系中的斯格明子和其它拓扑元激起拓展空间分辨、无损、非接触式探测，而且在原理上还可以涵盖金属体系，为揭示拓扑磁结构的微观机理提供有力的物理基础与表征策略。

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