【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)物理學(xué)院張琦課題組，溫錦生、鮑嵩課題組與中科院物理所萬源團隊合作，在聲子角動量研究領(lǐng)域中取得進展。團隊通過低波數(shù)磁光拉曼光譜，在亞鐵磁絕緣體Fe1.75Zn0.25Mo3O8(FZMO)中發(fā)現(xiàn)了由自發(fā)時間反演對稱性破缺誘導(dǎo)的手性聲子態(tài)，實現(xiàn)了聲子角動量的磁翻轉(zhuǎn)，并揭示了手性聲子疇的存在。在亞鐵磁臨界溫度附近，該體系的手性聲子的等效磁矩高達2.62 玻爾磁子(μB)，是一般材料中聲子的104倍，超過了部分磁振子或電子的磁矩。
圓偏振的聲子是固體中角動量轉(zhuǎn)移的重要載體，對涉及角動量轉(zhuǎn)移和守恒的物理現(xiàn)象具有重要意義，例如超快退磁、聲子誘導(dǎo)的宏觀磁化以及聲子的非互易輸運等。然而，作為無電荷、無自旋的玻色子，聲子的外場調(diào)控一直面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，在不改變晶格結(jié)構(gòu)的前提下，探索對聲子角動量和手性進行有效操控的方法，具有重要的基礎(chǔ)研究價值與應(yīng)用潛力。
在先前的工作中，研究團隊發(fā)現(xiàn)了反鐵磁絕緣體Fe2Mo3O8中臨界自旋漲落增強的聲子磁矩，可達0.68 μB。這一工作揭示了該體系中自旋關(guān)聯(lián)和漲落對聲子的顯著影響。這也意味著由時間反演對稱性相關(guān)聯(lián)的手性聲子態(tài)，有可能通過磁化或外磁場實現(xiàn)調(diào)控。在本項研究中，團隊聚焦Zn摻雜的Fe2Mo3O8，其基態(tài)具有亞鐵磁序。低波數(shù)拉曼光譜顯示，隨著亞鐵磁序的建立，一對簡并的聲子逐漸打開能隙(見圖1)。結(jié)合圓偏振分辨拉曼測量與磁場下聲子的塞曼劈裂行為，研究人員確認了在零磁場下手性聲子態(tài)的存在，這一現(xiàn)象來源于聲子-磁振子耦合與亞鐵磁序的協(xié)同作用。在無外加磁場條件下，該手性聲子模式的劈裂達到其本征頻率的20%，為目前已報道體系中的最大值。理論分析進一步表明，F(xiàn)ZMO 中的手性聲子與磁振子之間存在角動量選擇性強耦合，耦合主要發(fā)生在角動量方向相同的模式之間；此外，該體系準二維亞鐵磁漲落也放大了手性聲子的能量劈裂。如圖1c所示，磁相變溫度附近，等效聲子磁矩高達2.62 μB。圖中不對稱的塞曼劈裂現(xiàn)象來源于聲子和磁振子的角動量選擇性耦合。
圖1 (a)亞鐵磁序誘導(dǎo)的手性聲子；(b)左圖：一些特征溫度下不同圓偏振激發(fā)-探測通道的拉曼光譜；右圖：手性聲子劈裂隨溫度的變化與磁化隨溫度的變化對比；(c)不同溫度下手性聲子頻率的磁場依賴關(guān)系。
實驗中，研究人員通過外加磁場使一對具有相反角動量的手性聲子(P1a 與 P1b)在拉曼光譜中出現(xiàn)圓偏振反轉(zhuǎn)，根據(jù)光學(xué)選擇定則，這一行為表明了聲子角動量的磁翻轉(zhuǎn)。同時，還觀測到聲子角動量對外磁場響應(yīng)的滯回效應(yīng)。除了外場調(diào)控，磁疇提供了亞鐵磁極化的空間調(diào)制。團隊通過拉曼光譜與磁光顯微成像，揭示了 FZMO 中與亞鐵磁疇伴生的手性聲子疇。這一發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建手性聲子疇超結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)對聲子角動量的可控輸運提供了新思路。值得關(guān)注的是，在具有二維蜂窩晶格的系統(tǒng)中，時間反演對稱性的破缺有望導(dǎo)致Γ點聲子的簡并解除及拓撲非平庸聲子能帶的形成。特別是在亞鐵磁疇邊界，可能存在受拓撲保護的手征聲子邊界態(tài)，相關(guān)猜想尚待后續(xù)實驗進一步驗證。
圖2(a)磁場翻轉(zhuǎn)手性聲子角動量；(b)手性聲子頻率隨外磁場的滯回效應(yīng)；(c)左圖： FZMO亞鐵磁疇的顯微磁光成像；右圖：手性聲子疇的拉曼光譜空間掃描成像。
相關(guān)成果以“Magnetic switching of phonon angular momentum in a ferrimagnetic insulator”為題，于6月11日在線發(fā)表在《Physical Review Letters》。南京大學(xué)物理學(xué)院博士后武方亮、中科院物理所周婧博士為文章共同第一作者。南京大學(xué)物理學(xué)院張琦教授、中科院物理所萬源研究員為論文的通訊作者。南京大學(xué)物理學(xué)院溫錦生教授、鮑嵩助理教授提供了高質(zhì)量單晶樣品和磁性表征，博士生李良越協(xié)助了光譜實驗工作。該項研究得到了科技部重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金，江蘇省自然科學(xué)基金和江蘇省基礎(chǔ)物理研究中心的資助。
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