Física de Partículas Brilhantes

Pesquisadores introduziram o “Efeito Kerr Topológico” para melhorar a detecção e compreensão de skyrmions em materiais magnéticos topológicos, propondo novos métodos ópticos não destrutivos para uma caracterização mais ampla. (Conceito do artista). Crédito: SciTechDaily.com

Pesquisadores do Centro de Alto Campo Magnético dos Institutos de Ciências Físicas de Hefei da Academia Chinesa de Ciências e da Universidade de Ciência e Tecnologia da China introduziram recentemente o conceito de “Efeito Kerr Topológico” (TKE). Este novo conceito foi desenvolvido usando o sistema de microscopia de campo magnético de baixa temperatura e o sistema de imagem de microscopia de força magnética disponíveis nas instalações experimentais de alto campo magnético em estado estacionário.

As descobertas, publicadas em Física da Naturezasão uma promessa significativa para o avanço da nossa compreensão das estruturas magnéticas topológicas.

Ilustração dos sistemas materiais e processos físicos associados ao efeito Kerr topológico elaborado

Ilustração dos sistemas materiais e processos físicos associados ao efeito Kerr topológico elaborado. Crédito: Hou De

Originados na física de partículas, os skyrmions representam excitações topológicas únicas encontradas em materiais magnéticos de matéria condensada. Essas estruturas, caracterizadas por seu vórtice ou arranjo de spins em forma de anel, possuem propriedades não triviais que as tornam candidatas potenciais para dispositivos lógicos e de armazenamento magnético de próxima geração. No entanto, a detecção de skyrmions tem tradicionalmente dependido do Efeito Hall Topológico (THE), que é limitado a sistemas metálicos. Com o domínio em expansão dos materiais magnéticos topológicos, há uma necessidade urgente de técnicas de caracterização aplicáveis ​​a uma gama mais ampla de sistemas, incluindo skyrmions não metálicos.

Descoberta de novos materiais magnéticos

Com base na descoberta de materiais ferromagnéticos bidimensionais em 2017, a equipe de pesquisa previu uma nova classe de tais materiais, CrMX6 (M=Mn, V; X=I, Br), que exibem estados eletrônicos topológicos não triviais.

Neste estudo, a equipe sintetizou com sucesso CrVI bidimensional de alta qualidade6 cristais únicos e conduziu medições precisas de efeito Kerr magneto-óptico de microárea (MOKE). Notavelmente, o loop de histerese MOKE revelou proeminências distintas em forma de ‘orelha de gato’ dentro de faixas de espessura e intervalos de temperatura específicos, assemelhando-se ao efeito Hall topológico elétrico observado em sistemas magnéticos skyrmion.

Análises teóricas adicionais revelaram que a coexistência de átomos de Cr e V quebra a simetria de inversão central, a forte troca Dzyaloshinskii-Moriya (DM) levando à geração de estruturas magnéticas topológicas – skyrmions. Simulações de dinâmica magnética em escala atômica e cálculos teóricos revelaram o espalhamento de elétrons condutores pela ‘carga topológica’ de skyrmions sob um campo fotoelétrico, elucidando o mecanismo microscópico por trás do sinal óptico de Kerr durante a reversão da magnetização.

Com base nessas descobertas, a equipe de pesquisa propôs um novo esquema para detecção não destrutiva de estruturas magnéticas topológicas usando métodos ópticos, aproveitando campos fotoelétricos alternados e espectroscopia de alto campo magnético.

Este esquema oferece detecção espacialmente resolvida e sem contato de skyrmions e outras excitações topológicas, fornecendo informações valiosas sobre seus mecanismos microscópicos e ampliando sua gama de aplicações, de acordo com a equipe.

Referência: “Efeitos topológicos de Kerr em ímãs bidimensionais com simetria de inversão quebrada” por Xiaoyin Li, Caixing Liu, Ying Zhang, Shunhong Zhang, Huisheng Zhang, Yuchen Zhang, Wenjie Meng, De Hou, Tao Li, Chaoyang Kang, Fanyang Huang, Ruiguo Cao, Dazhi Hou, Ping Cui, Weifeng Zhang, Tai Min, Qingyou Lu, Xiaohong Xu, Zhigao Sheng, Bin Xiang e Zhenyu Zhang, 4 de abril de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02465-5



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