北理工在拓撲磁光效應及其量子化方面取得重要研究進展
發布日期：2020-01-13 供稿：物理學院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院的姚裕貴教授、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，發現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，即拓撲磁光效應（圖1），這完全不同于以往的傳統磁光效應。此外，拓撲磁光效應在低頻極限下可以量子化，即拓撲量子磁光效應。拓撲和量子拓撲磁光效應代表了全新的拓撲光與物質相互作用，開辟了磁光效應領域中新的研究方向。研究成果發表在Nature Communications 11, 118 (2020)。
圖1 (a)標量自旋手性誘導的拓撲磁光效應。(b)三維面心立方晶格中的非共面反鐵磁自旋結構。(c)二維三角晶格中的非共面反鐵磁自旋結構。(d)四個非共面的自旋經過平行輸運后形成的單位球。
磁光效應是固體物理學中最基本的實驗現象之一，表現為光與磁發生相互作用時，光的極化狀態會發生改變。1846年，Michael Faraday發現了第一種磁光現象，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生了一定角度的偏轉；隨后，John Kerr于1877年發現在鐵表面上的反射光的極化平面也會發生類似的偏轉。法拉第（Faraday）和克爾（Kerr）效應是磁光效應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揮了重要作用，也直接促進了由上世紀50年代開始的現代高密度數據存儲技術的應用。目前，磁光效應是一類廣泛應用的光譜分析技術，可用來探測磁疇運動、動態操縱磁序、測量二維材料中的巡游磁性等等。
磁光效應已經被發現了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。能帶交換劈裂本質上來源于外部磁場或磁性材料內部自發磁化的塞曼效應；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，最終導致一系列磁光現象（例如法拉第和克爾效應）的出現。
在本工作中，通過有效模型分析和第一性原理計算，我們在理論上發現在自旋非共面反鐵磁中（例如FeMn合金和K0.5RhO2），磁光效應的出現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，我們稱這種新奇的磁光效應為“拓撲磁光效應”。拓撲磁光效應與傳統磁光效應可以通過對特定物理量（例如克爾角、法拉第角、磁光電導率的實部）進行積分來鑒別。具體的，拓撲磁光效應的譜積分正比于標量自旋手性；傳統磁光效應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現，拓撲磁光效應在低頻極限下可以實現量子化，即“量子拓撲磁光效應”，表現為：克爾旋轉角正好是90度，法拉第旋轉角為精細結構常數和陳數的乘積。拓撲和量子拓撲磁光效應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相互作用，完全不同于常規的光與物質相互作用。當前的實驗條件完全可以實現對拓撲和量子拓撲磁光效應的實驗測量，期待近期有實驗工作可以證實我們的理論預言。
該工作得到了國家自然科學基金委和科技部國家重點研發計劃的支持。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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