斯格明子（Skyrmion）具有纳米尺寸的自旋涡旋结构，每个涡旋都具有粒子的特性。斯格明子粒子具有1个比特（bite）的功能，且具有高密度、不易因外部干扰而破坏等特性，有望应用于下一代存储设备。然而斯格明子的读取方法有着极大限制，因此必须开发出快速且简单的读取方法。
东京大学研究生院工学系研究科的加藤喜大研究生、冈村嘉大助教、Maximilian Hirschberger副教授、高桥阳太朗副教授以及理化学研究创发物性科学研究中心（CEMS）主任十仓好纪等人组成的研究小组首次成功观测到了斯格明子对光的偏振面造成扭曲的效应——拓扑磁光克尔（Kerr）效应。相关研究成果已发表在《Nature Communications》上。
图1:(a) 斯格明子粒子。具有自旋涡旋结构，以拓扑方式稳定存在。(b) 斯格明子高密度排列的斯格明子晶格。(c) 观察到的拓扑磁光效应。只有在斯格明子晶格存在的区域，才会出现明显的磁光克尔效应（即光的偏振面扭曲）。 （供图：东京大学）
研究团队着眼于有着高密度排列的斯格明子晶格的名为Gd2PdSi3的物质，并对其进行了磁光克尔效应的测量。磁光克尔效应是一种扭曲光的偏振面的现象，应用于磁光学设备的读取原理。通常情况下，光的偏振面的扭曲角度与材料的磁化程度成正比。如果存在由斯格明子引发的自发磁场，那么无论材料磁化的程度如何，光的偏振面都会发生扭曲。这种现象被称为“拓扑磁光克尔效应”，是读取斯格明子的原理。
实际上，在广泛的光频率范围内对Gd2PdSi3进行了磁光克尔效应的测量，结果显示斯格明子出现时会产生明显的偏振面扭曲。通过施加磁场来消除斯格明子，该现象就会消失，从而确认了该现象是由斯格明子引发的自发磁场效应。
此次研究发现，这种拓扑磁光效应也发生在近红外领域。由于近红外领域存在多种激光技术，今后将通过与激光光子学结合，实现对斯格明子的高速且非接触式的检测，有望在将来实现与激光光子学结合的斯格明子设备开发。
在基础科学领域的意义
除了在斯格明子设备上的应用外，此次的研究成果在基础科学领域也具有重要意义。磁光卡尔效应作为检测物质磁化的探针被广泛应用于自旋电子学等领域。而此次观察到的拓扑磁光效应是由斯格明子引发的自发磁场导致的，与材料的磁化程度无关，是一种全新的磁光现象。一直以来，为了增强磁光效应，通常需要使用原子序数较大的重元素，但通过利用自发磁场，即使是原子序数较小的相对廉价的材料也有可能实现明显的磁光效应。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Communications
论文：Topological magneto-optical effect from 斯格明子 lattice
DOI：10.1038/s41467-023-41203-y
