孙栋课题组实现了磁性外尔半金属中手性外尔费米子的多场可调控光注入

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心孙栋教授课题组与合作者中国科学院长春光学精密机械与物理研究所程晋罗研究员、中国科学院物理研究所刘恩克研究员等在磁性外尔半金属材料Co₃Sn₂S₂中实现了手性极化外尔费米子的可调控光注入，相关研究成果以 “磁性外尔半金属Co₃Sn₂S₂中手性极化外尔费米子的多多场可调控光注入”（Versatile tunable optical injection of chiral polarized Weyl fermions in a magnetic Weyl semimetal Co₃Sn₂S₂） 为题发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

手性是自然界中的一个基本属性。在外尔半金属中，外尔费米子的手性作为一个重要的量子自由度，对于理解基础量子物理具有核心意义，并有望用于新型信息的编码与处理。光与物质相互作用中的手性耦合，以及通过外部场对这种耦合的灵活控制，是实现外尔费米子精准量子操控的关键。

孙栋课题组与合作者在磁性外尔半金属Co₃Sn₂S₂中，利用中红外光激发，观测到了显著的光手性依赖的光电流响应。研究发现，该光电流源于手性极化中红外光子对手性极化外尔费米子的注入。与常见的空间反演对称性破缺的外尔半金属不同，Co₃Sn₂S₂在保持空间反演对称性的前提下，二阶非线性响应通常消失。该工作通过施加外部静态电场打破空间反演对称性，激活了三阶非线性光电流过程。这一过程使得圆偏振光能够非对称地激发具有相反手性的一对外尔锥，从而导致手性不平衡的外尔费米子注入，最终产生可观测的光电流。

为了确认观测到的信号确实源于外尔费米子的手性注入，研究团队进行了波长依赖性测量。实验结果显示，光手性依赖的光电流仅在低能的中红外波段（如4 μm和10.6 μm）出现，而在近红外波段（如 1550 nm 和 800 nm）消失，这表明响应源于外尔点附近的拓扑能带跃迁。更重要的是，光电流的方向在4 μm和10.6 μm激发下发生了符号反转，这与外尔锥两侧不同的光学跃迁选择定则高度一致。结合数值计算，该工作排除了磁圆二向色性（MCD）的主导作用，证实了实验观测到的光手性依赖光电流主要由外尔费米子的注入贡献。 

图1. Co₃Sn₂S₂的基本表征及光学选择定则。 (a) 外尔锥附近的光学选择定则示意图，灰色虚线标记费米能级。(b) 外尔锥手性与铁磁（FM）序之间关系的示意图，具有相反手性的一对外尔锥通过空间反演对称性联系。(c) Co3Sn2S2的晶体结构，磁矩沿c轴显示，钴原子形成笼目（Kagome）晶格。(d) 0.1 T 磁场下纵向（）和横向（）电阻率的温度依赖性。(e) 器件的光学显微镜图像，插图显示通过原子力显微镜（AFM）测量的样品厚度约为 46 nm。(f) 4 μm激发下的扫描光电流显微图像，红圈标示了后续实验进行的激光光斑位置。 

在应用层面，该工作确立了磁性外尔半金属可以作为一个比空间反演对称性破缺的外尔半金属更通用的手性操控平台。由于光电流源于三阶非线性效应，注入的外尔费米子手性不仅可以通过改变入射光的圆偏振态控制，还可以通过改变外部平面内电场的方向、或者翻转材料的铁磁序（磁化方向）进行多重灵活调控。这种多场调控能力为未来基于外尔费米子手性自由度的功能性量子器件开发铺平了道路，也为通过瞬态光谱学研究磁性外尔费米子的激发态动力学提供了新思路。

北京大学物理学院量子材料科学中心2019级博士研究生范子璞(已毕业)为该论文的第一作者，孙栋、刘恩克、程晋罗为该论文的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

论文原文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/12/12/nwaf402/8266828