【儀表網 研發快訊】近日，南京大學物理學院張琦課題組，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域中取得進展。團隊通過低波數磁光拉曼光譜，在亞鐵磁絕緣體Fe1.75Zn0.25Mo3O8(FZMO)中發現了由自發時間反演對稱性破缺誘導的手性聲子態，實現了聲子角動量的磁翻轉，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移的重要載體，對涉及角動量轉移和守恒的物理現象具有重要意義，例如超快退磁、聲子誘導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，聲子的外場調控一直面臨巨大挑戰。因此，在不改變晶格結構的前提下，探索對聲子角動量和手性進行有效操控的方法，具有重要的基礎研究價值與應用潛力。
 

　　在先前的工作中，研究團隊發現了反鐵磁絕緣體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聯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聯的手性聲子態，有可能通過磁化或外磁場實現調控。在本項研究中，團隊聚焦Zn摻雜的Fe2Mo3O8，其基態具有亞鐵磁序。低波數拉曼光譜顯示，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的存在，這一現象來源于聲子-磁振子耦合與亞鐵磁序的協同作用。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，FZMO 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)亞鐵磁序誘導的手性聲子；(b)左圖：一些特征溫度下不同圓偏振激發-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)在拉曼光譜中出現圓偏振反轉，根據光學選擇定則，這一行為表明了聲子角動量的磁翻轉。同時，還觀測到聲子角動量對外磁場響應的滯回效應。除了外場調控，磁疇提供了亞鐵磁極化的空間調制。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。這一發現為構建手性聲子疇超結構，并實現對聲子角動量的可控輸運提供了新思路。值得關注的是，在具有二維蜂窩晶格的系統中，時間反演對稱性的破缺有望導致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，相關猜想尚待后續實驗進一步驗證。
 

　　圖2(a)磁場翻轉手性聲子角動量；(b)手性聲子頻率隨外磁場的滯回效應；(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。

 

　　相關成果以“Magnetic switching of phonon angular momentum in a ferrimagnetic insulator”為題，于6月11日在線發表在《Physical Review Letters》。南京大學物理學院博士后武方亮、中科院物理所周婧博士為文章共同第一作者。南京大學物理學院張琦教授、中科院物理所萬源研究員為論文的通訊作者。南京大學物理學院溫錦生教授、鮑嵩助理教授提供了高質量單晶樣品和磁性表征，博士生李良越協助了光譜實驗工作。該項研究得到了科技部重點研發計劃，國家自然科學基金，江蘇省自然科學基金和江蘇省基礎物理研究中心的資助。