Wetenschap
Onderzoekers ontdekken een topologisch Kerr-effect in tweedimensionale kwantummagneten
In een recente samenwerking tussen het High Magnetic Field Center van de Hefei Institutes of Physical Science van de Chinese Academie van Wetenschappen en de University of Science and Technology van China introduceerden onderzoekers het concept van het topologische Kerr-effect (TKE) door gebruik te maken van de laag- temperatuur-magneetveldmicroscopiesysteem en magnetische-krachtmicroscopie-beeldvormingssysteem ondersteund door de stabiele experimentele faciliteit met hoog magnetisch veld.
De bevindingen, gepubliceerd in Nature Physics , houden een belangrijke belofte in voor het bevorderen van ons begrip van topologische magnetische structuren.
Skyrmionen, afkomstig uit de deeltjesfysica, vertegenwoordigen unieke topologische excitaties die worden aangetroffen in magnetische materialen met gecondenseerde materie. Deze structuren, gekenmerkt door hun vortex- of ringachtige opstelling van spins, bezitten niet-triviale eigenschappen waardoor ze potentiële kandidaten zijn voor de volgende generatie magnetische opslag- en logische apparaten.
Het detecteren van skyrmionen is echter traditioneel gebaseerd op het topologische Hall-effect (THE), dat beperkt is tot metalen systemen. Met het groeiende domein van topologische magnetische materialen is er een dringende behoefte aan karakteriseringstechnieken die toepasbaar zijn op een breder scala aan systemen, inclusief niet-metalen skyrmionen.
Voortbouwend op de ontdekking van tweedimensionale ferromagnetische materialen in 2017 voorspelde het onderzoeksteam een nieuwe klasse van dergelijke materialen, CrMX6 (M=Mn, V; X=I, Br), die niet-triviale topologische elektronische toestanden vertonen.
In deze studie heeft het team met succes tweedimensionaal CrVI6 van hoge kwaliteit gesynthetiseerd enkele kristallen en voerde nauwkeurige micro-optische magneto-optische Kerr-effect (MOKE) metingen uit. Opmerkelijk genoeg onthulde de MOKE-hysteresislus opvallende "kattenoor"-vormige protuberansen binnen specifieke diktebereiken en temperatuurintervallen, die lijken op het elektrische topologische Hall-effect dat wordt waargenomen in magnetische skyrmion-systemen.
Verdere theoretische analyse onthulde dat het naast elkaar bestaan van Cr- en V-atomen de centrale inversiesymmetrie doorbreekt, waarbij de sterke Dzyaloshinskii-Moriya (DM)-uitwisseling leidt tot het genereren van topologische magnetische structuren:skyrmionen.
Simulaties en theoretische berekeningen van magnetische dynamiek op atomaire schaal onthulden de verstrooiing van geleidende elektronen door de "topologische lading" van skyrmionen onder een foto-elektrisch veld, waardoor het microscopische mechanisme achter het optische Kerr-signaal tijdens magnetisatie-omkering werd opgehelderd.
Op basis van deze bevindingen heeft het onderzoeksteam een nieuw schema voorgesteld voor de niet-destructieve detectie van topologische magnetische structuren met behulp van optische methoden, waarbij gebruik wordt gemaakt van wisselende foto-elektrische velden en hoge magnetische veldspectroscopie.
Dit schema biedt ruimtelijk opgeloste, contactloze detectie van skyrmionen en andere topologische excitaties, wat waardevolle inzichten oplevert in hun microscopische mechanismen en hun toepassingsbereik verbreedt, aldus het team.