北理工在拓?fù)浯殴庑?yīng)及其量子化方面取得重要研究進(jìn)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(wàn)祥副教授以及團(tuán)隊(duì)成員,，在拓?fù)浯殴庑?yīng)及其量子化方面取得重要進(jìn)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(gè)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(hào)依然可以出現(xiàn),，即拓?fù)浯殴庑?yīng)（圖1），這完全不同于以往的傳統(tǒng)磁光效應(yīng),。此外,，拓?fù)浯殴庑?yīng)在低頻極限下可以量子化，即拓?fù)淞孔哟殴庑?yīng),。拓?fù)浜土孔油負(fù)浯殴庑?yīng)代表了全新的拓?fù)涔馀c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(biāo)量自旋手性誘導(dǎo)的拓?fù)浯殴庑?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(gè)非共面的自旋經(jīng)過(guò)平行輸運(yùn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之一，表現(xiàn)為光與磁發(fā)生相互作用時(shí),，光的極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變,。1846年，Michael Faraday發(fā)現(xiàn)了第一種磁光現(xiàn)象,，即當(dāng)線性極化光通過(guò)置于外磁場(chǎng)中的一組玻璃片后,，透射光的極化平面相對(duì)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(huì)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(jì)末建立麥克斯韋電磁理論的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用,，也直接促進(jìn)了由上世紀(jì)50年代開始的現(xiàn)代高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(lái)探測(cè)磁疇運(yùn)動(dòng),、動(dòng)態(tài)操縱磁序,、測(cè)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(rèn)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(lái)源于外部磁場(chǎng)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(jìn)一步劈裂能帶,，使自旋極化電子的軌道運(yùn)動(dòng)與入射極化光相耦合。過(guò)去人們認(rèn)為,，能帶交換劈裂和自旋軌道耦合必須同時(shí)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(guò)有效模型分析和第一性原理計(jì)算，我們?cè)诶碚撋习l(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?fù)浠魻栃?yīng)，我們稱這種新奇的磁光效應(yīng)為“拓?fù)浯殴庑?yīng)”,。拓?fù)浯殴庑?yīng)與傳統(tǒng)磁光效應(yīng)可以通過(guò)對(duì)特定物理量（例如克爾角,、法拉第角、磁光電導(dǎo)率的實(shí)部）進(jìn)行積分來(lái)鑒別,。具體的,，拓?fù)浯殴庑?yīng)的譜積分正比于標(biāo)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?cè)诙S非共面反鐵磁中發(fā)現(xiàn)，拓?fù)浯殴庑?yīng)在低頻極限下可以實(shí)現(xiàn)量子化,，即“量子拓?fù)浯殴庑?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(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和陳數(shù)的乘積,。拓?fù)浜土孔油負(fù)浯殴庑?yīng)的物理起源是非零的標(biāo)量自旋手性,，代表著全新的拓?fù)涔馀c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(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)拓?fù)浜土孔油負(fù)浯殴庑?yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,，期待近期有實(shí)驗(yàn)工作可以證實(shí)我們的理論預(yù)言。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持,。研究團(tuán)隊(duì)特別感謝德國(guó)于利希研究中心的Stefan Blügel教授,、Yuriy Mokrousov副教授、Jan-Philipp Hanke博士,、臺(tái)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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