斯格明子（Skyrmion）具有奈米尺寸的自旋漩渦結構，每個漩渦都具有粒子的特性。斯格明子粒子具有1個位元（bite）的功能，且具有高密度、不易因外部干擾而破壞等特性，有望應用於下一代存儲設備。然而斯格明子的擷取方法有着極大侷限，因此必須開發出快速且簡單的擷取方法。
東京大學研究生院工學系研究科的加藤喜大研究生、岡村嘉大助教、Maximilian Hirschberger副教授、高橋陽太朗副教授以及理化學研究創發物性科學研究中心（CEMS）主任十倉好紀等人組成的研究小組首次成功觀測到了斯格明子對光的偏振面造成扭曲的效應——拓撲磁光克爾（Kerr）效應。相關研究成果已發表在《Nature Communications》上。
圖1:(a) 斯格明子粒子。具有自旋漩渦結構，以拓撲方式穩定存在。(b) 斯格明子高密度排列的斯格明子晶格。(c) 觀察到的拓撲磁光效應。只有在斯格明子晶格存在的區域，才會出現明顯的磁光克爾效應（即光的偏振面扭曲）。 （供圖：東京大學）
研究團隊着眼於有着高密度排列的斯格明子晶格的名爲Gd2PdSi3的物質，並對其進行了磁光克爾效應的測量。磁光克爾效應是一種扭曲光的偏振面的現象，應用於磁光學設備的擷取原理。通常情況下，光的偏振面的扭曲角度與材料的磁化程度成正比。如果存在由斯格明子引發的自發磁場，那麼無論材料磁化的程度如何，光的偏振面都會發生扭曲。這種現象被稱爲「拓撲磁光克爾效應」，是擷取斯格明子的原理。
實際上，在廣泛的光頻率範圍内對Gd2PdSi3進行了磁光克爾效應的測量，結果顯示斯格明子出現時會產生明顯的偏振面扭曲。透過施加磁場來消除斯格明子，該現象就會消失，從而應答了該現象是由斯格明子引發的自發磁場效應。
此次研究發現，這種拓撲磁光效應也發生在近紅外光領域。由於近紅外光領域存在多種雷射技術，今後將透過與雷射光量子學結合，實施對斯格明子的高速且非接觸式的檢測，有望在將來實施與雷射光量子學結合的斯格明子設備開發。
在基礎科學領域的意義
除了在斯格明子設備上的應用外，此次的研究成果在基礎科學領域也具有重要意義。磁光卡爾效應作爲檢測物質磁化的探針被廣泛應用於自旋電子學等領域。而此次觀察到的拓撲磁光效應是由斯格明子引發的自發磁場導致的，與材料的磁化程度無關，是一種全新的磁光現象。一直以來，爲了強化磁光效應，通常需要使用原子序較大的重元素，但透過利用自發磁場，即使是原子序較小的相對廉價的材料也有可能實施明顯的磁光效應。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Topological magneto-optical effect from 斯格明子 lattice
DOI：10.1038/s41467-023-41203-y
