成功观测了由拓扑自旋结构产生的磁光学响应

Wsz6868 2021-10-15

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成功观测了由拓扑自旋结构产生的磁光学响应

1 .主讲人林悠大(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业博士课程3年级) 冈村嘉大(东京大学研究生院工学系研究科附属量子相电子研究中心助教) 金泽直也(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业讲师/理化学研究所创发物性科学研究中心强相关物性研究组客座研究员)是常隆(东北大学研究生院理学研究科物理学专业副教授) 冢崎敦(东北大学金属材料研究所低温物理学研究部门教授) 十仓好纪(理化学研究所创发物性科学研究中心中心主任/东京大学国际高等研究所东京学院卓越教授) 高桥阳太郎(东京大学研究生院工学系研究科附属量子相电子研究中心副教授/理化学研究所创发物性科学研究中心创发光谱学研究组件组长)

2 .发表要点 ◆发现了由于被称为对冲-霍格光栅(注1 )的特殊自旋结构，作为光的扭曲现象的磁光学效果会巨大化 ◆发现观测到的磁光学效应的共振是被称为异常霍尔效应(注2 )拓扑霍尔效应(注3 )的电子轨道弯曲现象的起源。 ◆期待着今后开发太赫兹带(注4 )的光学设备和磁存储器的读取设备

3.发表概要传导电子和磁性相互作用的结果，在电流和垂直方向上产生电压的现象被称为“异常霍尔效应”，从基础研究器件应用的两个角度受到极大的关注。迄今为止，对产生异常霍尔效应的机理进行了各种观点的研究，近年来明确了电子结构的拓扑结构(注5 )扮演着重要的角色。最近，还观测到了通过拓扑磁结构的形成而出现的霍尔效应(拓扑霍尔效应)，备受瞩目。但是，拓扑空穴效应方面，探明其表达机制的实验手段有限。以东京大学研究生院工学系研究科的林悠大研究生、冈村嘉大助教、金泽直也讲师、高桥阳太郎副教授、理化学研究所创发物性科学中心的十仓好纪中心长为中心的研究组，东北大学金属材料研究所教授冢崎敦、东北大学研究生院理学研究科物理学专业的是常隆副教授、东京大学研究生院工学系研究科的余同桦研究生院与有田亮太郎教授、市川昌和名誉教授、川崎雅司教授等研究小组共同，在手性磁性体MnGe(Mn :锰，Ge :锗)的薄膜中发现了源于拓扑磁结构形成的巨大的磁光学效果。已知MnGe薄膜在低温下会产生源于被称为对冲-霍尔晶格的特异自旋结构(拓扑自旋结构)的拓扑空穴效应。此次，林悠大学研究生们在太赫兹带进行了磁光学法拉第效应(注6 )的测量。结果，成功观测到了法拉第效应急剧增大的特征共振谱。通过理论模型分析表明，该共振结构是MnGe异常霍尔效应和拓扑空穴效应的主要来源。此次取得的成果强烈暗示了拓扑自旋结构强烈干扰电子态，表现出巨大的拓扑空穴效应。期待着本成果今后与利用拓扑磁结构的新型光器件的开发联系起来。本研究成果将于英国时间10月13日刊登在英国科学杂志《Nature Communications》上。本研究由科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业CREST“利用纳米自旋结构的电子量子相位控制纳米自旋结构的电子量子相位控制(研究代表者:永长直人)”( No. JPMJCR1874 )、日本学术振兴会( JSPS )科学研究费年轻人研究。

4.发表内容

<研究背景> 铁磁性体中异常霍尔效应的发现可以追溯到19世纪，关于其起源多年来一直是热烈的讨论对象。近年的研究表明，物质电子结构的拓扑结构在异常霍尔效应中起着重要的作用。进一步发现，拓扑自旋结构将引起拓扑空穴效应这一新的空穴效应，备受瞩目。但是，逼近拓扑空穴效应背景物理的实验研究极其有限。

4.<研究经过> 东京大学研究生院工学系研究科的林悠大学研究生们，着眼于一种叫做MnGe的物质。在MnGe中，通过产生如图1(a，b )所示的套期保值状的自旋结构，出现如图1(c )所示的巨大的拓扑空穴效应。林悠大研究生们为了逼近霍尔效应的生成机理，着眼于与光学领域的霍尔效应相当的磁光学效应。

<研究内容> 使用MnGe薄膜，对被称为太赫兹带的远红外区域的磁光学法拉第效应进行了测量。测量结果表明，磁光学效应在该波段有明显的共振。与该共振现象的出现同步，霍尔电导率谱中也观测到了明显的共振结构，由此可见该光学域的共振现象是MnGe巨大霍尔效应的起源(图2(a ) )。用理论模型分析表明，该共振结构由两个不同的因素组成，一个对应于异常霍尔效应，另一个对应于对冲霍尔光栅的形成产生的拓扑霍尔效应(图2(b ) )。 <展望社会意义> 本研究表明，MnGe薄膜的异常拓扑空穴效应均来源于太赫兹区域存在的共振结构。近年来，除了套期保值光栅以外，还发现了各种拓扑磁结构，自旋集团形成的特异物理现象日益受到关注。今后还有待于验证此次发现的拓扑磁结构的磁光学响应的普遍性。另外，对冲之猪光栅等拓扑自旋结构因其稳定性而备受期待，有望作为未来的信息载体。本研究的成果可以说是朝着利用光高速且非接触地检测拓扑自旋结构存在的技术的开发迈出的重要一步。 5 .发表杂志杂志名称:《国家通信》论文标题:“中国科学大学的物理学和拓扑科学的效果” 作者: Y. Hayashi，Y. Okamura，N. Kanazawa，T. Yu，T. Koretsune，R. Arita，A. Tsukazaki，M. Ichikawa，M. Kawasaki DOI编号: 16 .7 .附件0.1038/s41467-021-25276-1

6.用语解说

注1 )套期保值光栅物质中最小的磁铁——自旋大量聚集，有时会自发产生刺猬型的结构。在物质中，自旋朝向中心或外侧的套头反套头形成周期性排列的三维晶格。它们与传导电子相互作用，产生拓扑空穴效应。 (注2 )异常霍尔效应将磁场垂直施加在电流流动的平面上时，在垂直于磁场和电流方向的方向上产生电压的现象称为霍尔效应。这是一般在金属中看到的现象，但在磁性体中，多数情况下会出现与磁化大小成比例的现象。这被称为异常霍尔效应。 (注3 )拓扑空穴效应自旋集团采取立体结构时出现的异常霍尔效应。在磁技能胺和套期保值晶格等拓扑自旋结构中被观测到。 (注4 )太赫兹带是指波长和能量位于可见光区域和微波中间的光学区域，具有太赫兹( 1012 Hz )左右的频率。是起源于传导电子和磁性的响应经常出现的频带。 (注5 )拓扑结构拓扑几何学。近年来，物理学方面正在积极尝试通过根据几何学性质对电子状态进行分类来理解物理现象。 (注6 )磁光学法拉第效应在磁性体中行进的光的偏振光旋转的现象。被用作磁存储器件和隔离器的基础原理