北理工在拓撲磁光效應(yīng)及其量子化方面取得重要研究進展
發(fā)布日期：2020-01-13 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院的姚裕貴教授,、馮萬祥副教授以及團隊成員,，在拓撲磁光效應(yīng)及其量子化方面取得重要進展,。他們利用有效模型分析和第一性原理方法研究了手性非共面反鐵磁系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在缺少兩個必要條件——能帶交換劈裂和自旋軌道耦合——的情況下,，磁光信號依然可以出現(xiàn),，即拓撲磁光效應(yīng)（圖1），這完全不同于以往的傳統(tǒng)磁光效應(yīng),。此外,，拓撲磁光效應(yīng)在低頻極限下可以量子化，即拓撲量子磁光效應(yīng),。拓撲和量子拓撲磁光效應(yīng)代表了全新的拓撲光與物質(zhì)相互作用,，開辟了磁光效應(yīng)領(lǐng)域中新的研究方向。研究成果發(fā)表在Nature Communications 11, 118 (2020),。
圖1 (a)標量自旋手性誘導(dǎo)的拓撲磁光效應(yīng),。(b)三維面心立方晶格中的非共面反鐵磁自旋結(jié)構(gòu)。(c)二維三角晶格中的非共面反鐵磁自旋結(jié)構(gòu),。(d)四個非共面的自旋經(jīng)過平行輸運后形成的單位球,。
磁光效應(yīng)是固體物理學(xué)中最基本的實驗現(xiàn)象之一，表現(xiàn)為光與磁發(fā)生相互作用時,，光的極化狀態(tài)會發(fā)生改變,。1846年，Michael Faraday發(fā)現(xiàn)了第一種磁光現(xiàn)象,，即當線性極化光通過置于外磁場中的一組玻璃片后,，透射光的極化平面相對于入射光發(fā)生了一定角度的偏轉(zhuǎn),；隨后，John Kerr于1877年發(fā)現(xiàn)在鐵表面上的反射光的極化平面也會發(fā)生類似的偏轉(zhuǎn),。法拉第（Faraday）和克爾（Kerr）效應(yīng)是磁光效應(yīng)家族中的代表性成員,，不僅在19世紀末建立麥克斯韋電磁理論的過程中發(fā)揮了重要作用，也直接促進了由上世紀50年代開始的現(xiàn)代高密度數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用,。目前,，磁光效應(yīng)是一類廣泛應(yīng)用的光譜分析技術(shù)，可用來探測磁疇運動,、動態(tài)操縱磁序,、測量二維材料中的巡游磁性等等。
磁光效應(yīng)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了150多年,，其物理起源一直被認為是能帶交換劈裂和自旋軌道耦合,，二者缺一不可。能帶交換劈裂本質(zhì)上來源于外部磁場或磁性材料內(nèi)部自發(fā)磁化的塞曼效應(yīng),；自旋軌道耦合將進一步劈裂能帶,，使自旋極化電子的軌道運動與入射極化光相耦合。過去人們認為,，能帶交換劈裂和自旋軌道耦合必須同時存在,，才能使得左旋和右旋極化光在磁性材料中有不同程度的吸收，最終導(dǎo)致一系列磁光現(xiàn)象（例如法拉第和克爾效應(yīng)）的出現(xiàn),。
在本工作中,，通過有效模型分析和第一性原理計算，我們在理論上發(fā)現(xiàn)在自旋非共面反鐵磁中（例如FeMn合金和K0.5RhO2）,，磁光效應(yīng)的出現(xiàn)可以不依賴于能帶交換劈裂和自旋軌道耦合,。類比于拓撲霍爾效應(yīng)，我們稱這種新奇的磁光效應(yīng)為“拓撲磁光效應(yīng)”,。拓撲磁光效應(yīng)與傳統(tǒng)磁光效應(yīng)可以通過對特定物理量（例如克爾角,、法拉第角、磁光電導(dǎo)率的實部）進行積分來鑒別,。具體的,，拓撲磁光效應(yīng)的譜積分正比于標量自旋手性；傳統(tǒng)磁光效應(yīng)的譜積分正比于磁晶各向異向能,。此外,，我們在二維非共面反鐵磁中發(fā)現(xiàn)，拓撲磁光效應(yīng)在低頻極限下可以實現(xiàn)量子化,，即“量子拓撲磁光效應(yīng)”,，表現(xiàn)為：克爾旋轉(zhuǎn)角正好是90度，法拉第旋轉(zhuǎn)角為精細結(jié)構(gòu)常數(shù)和陳數(shù)的乘積,。拓撲和量子拓撲磁光效應(yīng)的物理起源是非零的標量自旋手性,，代表著全新的拓撲光與物質(zhì)相互作用,，完全不同于常規(guī)的光與物質(zhì)相互作用。當前的實驗條件完全可以實現(xiàn)對拓撲和量子拓撲磁光效應(yīng)的實驗測量,，期待近期有實驗工作可以證實我們的理論預(yù)言,。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委和科技部國家重點研發(fā)計劃的支持。研究團隊特別感謝德國于利希研究中心的Stefan Blügel教授,、Yuriy Mokrousov副教授,、Jan-Philipp Hanke博士、臺灣大學(xué)郭光宇教授等合作者的有力支持和配合,。
[1] Wanxiang Feng, Jan-Philipp Hanke, Xiaodong Zhou, Guang-Yu Guo, Stefan Blugel, Yuriy Mokrousov, and Yugui Yao. “Topological magneto-optical effects and their quantization in noncoplanar antiferromagnets”. Nature Communications 11, 118 (2020),。
論文連接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13968-8
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