近日，北京大学物理学院量子材料科学中心孙栋课题组与合作者中国科学院长春光学精密机械与物理研究所程晋罗研究员、中国科学院物理研究所刘恩克研究员等在磁性外尔半金属材料Co₃Sn₂S₂中基于光致反常能斯特效应引起的光电流响应实现了对体系磁畴分布的成像，相关研究成果以 “基于光致反常能斯特效应实现的对Co₃Sn₂S₂纳米片磁畴分布的显微成像”（Microscopic Imaging of Magnetic Domains through Anomalous Photo-Nernst Effect in Co₃Sn₂S₂Nanoplates）为题发表于期刊《ACS Nano》。

磁畴是磁性材料中原子磁矩自发排列形成的局域均匀磁化区域。对其微观结构的直接观测不仅能揭示磁化反转机制等基础物理问题，还对磁存储器件、自旋电子学等应用至关重要。

孙栋课题组与合作者在外尔半金属材料Co₃Sn₂S₂纳米片中通过扫描光电流谱实验观测到了随机磁化下的磁畴分布。经过实验论证，发现Co₃Sn₂S₂中磁畴边界处的光电流来自于光致反常能斯特效应。Co₃Sn₂S₂中磁畴边界由于磁化方向相反，当光照射到磁畴边界会产生净光电流，而在磁畴内部由于对称性，局部光电流相互抵消，无法被电极收集。这使得在磁畴边界处能收集到清晰的光电流信号，从而确定磁畴的边界分布。

为了确定Co₃Sn₂S₂中边界光电流响应的物理根源，该工作基于一个简化的分析模型，模拟了由光致反常能斯特效应引起的光电流在样品中的分布情况，模拟结果与实验数据高度一致，很好地证实了Co₃Sn₂S₂中磁畴边界光电流响应来自于光致反常能斯特效应。值得注意的是，磁畴结构的清晰成像在很大程度上归功于Co₃Sn₂S₂的优异的反常热电特性。Co₃Sn₂S₂不仅具有适合观测光致反常能斯特电流的几个关键物理特性：作为半金属的导电特性、通过肖克利−拉莫定理产生长程光电流的能力、以及由于其铁磁外尔半金属特性而产生的零场下的反常能斯特效应。

在应用层面，由于光致反常能斯特电流的产生机制是基于不同磁化方向下载流子由反常能斯特效应主导的局域热扩散方向不同，因此在进行磁畴成像时无需对入射光进行额外的偏振调制，这使得光学系统的搭建相较于其他基于磁光效应的方法（如磁光克尔效应和磁圆二向色性）更为简便——后者通常需要对光进行快速地偏振调制以实现较快速的成像。

北京大学物理学院量子材料科学中心2019级博士研究生范子璞和中国科学院物理研究所博士研究生杨金颖为该论文的共同第一作者，孙栋教授为该论文的通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。