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  近日,北京理工大学物理学院的姚裕贵教授、冯万祥副教授以及团队成员,在拓扑磁光效应及其量子化方面取得重要进展。他们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铁磁系统,发现在缺少两个必要条件——能带交换劈裂和自旋轨道耦合——的情况下,磁光信号依然可以出现,即拓扑磁光效应(图1),这完全不同于以往的传统磁光效应。此外,拓扑磁光效应在低频极限下可以量子化,即拓扑量子磁光效应。拓扑和量子拓扑磁光效应代表了全新的拓扑光与物质相互作用,开辟了磁光效应领域中新的研究方向。研究成果发表在Nature Communications 11, 118 (2020)。

图1 (a)标量自旋手性诱导的拓扑磁光效应。(b)三维面心立方晶格中的非共面反铁磁自旋结构。(c)二维三角晶格中的非共面反铁磁自旋结构。(d)四个非共面的自旋经过平行输运后形成的单位球。

  磁光效应是固体物理学中最基本的实验现象之一,表现为光与磁发生相互作用时,光的极化状态会发生改变。1846年,Michael Faraday发现了第一种磁光现象,即当线性极化光通过置于外磁场中的一组玻璃片后,透射光的极化平面相对于入射光发生了一定角度的偏转;随后,John Kerr于1877年发现在铁表面上的反射光的极化平面也会发生类似的偏转。法拉第(Faraday)和克尔(Kerr)效应是磁光效应家族中的代表性成员,不仅在19世纪末建立麦克斯韦电磁理论的过程中发挥了重要作用,也直接促进了由上世纪50年代开始的现代高密度数据存储技术的应用。目前,磁光效应是一类广泛应用的光谱分析技术,可用来探测磁畴运动、动态操纵磁序、测量二维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爲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。過去人們認爲,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爲“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”,表現爲:克爾旋轉角正好是90度,法拉第旋轉角爲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。

  该工作得到了国家自然科学基金委和科技部国家重点研发计划的支持。研究团队特别感谢德国于利希研究中心的Stefan Blügel教授、Yuriy Mokrousov副教授、Jan-Philipp Hanke博士、台湾大学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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