交换耦合纳米磁体中的拓扑相变与 Berry 相位滞后

磁性材料中的拓扑相对霍尔效应产生量子化贡献，称为拓扑霍尔效应，通常由斯格明子引起，每个斯格明子产生一个磁通量子 $h/e$。纳米结构材料中拓扑性质的控制与理解是基础科学与技术应用（尤其是自旋电子学）极受关注的课题。本文通过实验与理论研究平均粒径为 13.7 nm 的交换耦合钴纳米颗粒的电子输运性质与自旋结构。磁性与霍尔效应测量确定了交换耦合钴纳米颗粒中的拓扑相变，并据此发现了拓扑霍尔效应中一种性质上全新的滞后，即 Berry 相位滞后。微磁学模拟揭示了拓扑霍尔效应的起源，即手性畴，其畴壁手性由整数斯格明子数量化。这些自旋结构不同于 B20 晶体与多层薄膜中由 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用形成的斯格明子，而是由交换耦合钴纳米颗粒中的协同磁化反转所引起。本文建立了一个解析模型来解释 Berry 相位滞后的底层物理，该滞后与标志性的磁滞回线截然不同，构成了 21 世纪在物理学、化学、数学与材料科学交界处重塑自然观的一个方面。