北理工在拓扑磁光效应及其量子化方面取得重要研究进展

 
    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。

　　磁光效应已经被发现了150多年，其物理起源一直被认为是能带交换劈裂和自旋轨道耦合，二者缺一不可。能带交换劈裂本质上来源于外部磁场或磁性材料内部自发磁化的塞曼效应；自旋轨道耦合将进一步劈裂能带，使自旋极化电子的轨道运动与入射极化光相耦合。过去人们认为，能带交换劈裂和自旋轨道耦合必须同时存在，才能使得左旋和右旋极化光在磁性材料中有不同程度的吸收，最终导致一系列磁光现象（例如法拉第和克尔效应）的出现。

　　在本工作中，通过有效模型分析和第一性原理计算，我们在理论上发现在自旋非共面反铁磁中（例如FeMn合金和K0.5RhO2），磁光效应的出现可以不依赖于能带交换劈裂和自旋轨道耦合。类比于拓扑霍尔效应，我们称这种新奇的磁光效应为“拓扑磁光效应”。拓扑磁光效应与传统磁光效应可以通过对特定物理量（例如克尔角、法拉第角、磁光电导率的实部）进行积分来鉴别。具体的，拓扑磁光效应的谱积分正比于标量自旋手性；传统磁光效应的谱积分正比于磁晶各向异向能。此外，我们在二维非共面反铁磁中发现，拓扑磁光效应在低频极限下可以实现量子化，即“量子拓扑磁光效应”，表现为：克尔旋转角正好是90度，法拉第旋转角为精细结构常数和陈数的乘积。拓扑和量子拓扑磁光效应的物理起源是非零的标量自旋手性，代表着全新的拓扑光与物质相互作用，完全不同于常规的光与物质相互作用。当前的实验条件完全可以实现对拓扑和量子拓扑磁光效应的实验测量，期待近期有实验工作可以证实我们的理论预言。

　　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)。
来源：北京理工大学 学术网