陈钢课题组和合作者提出调控手性拓扑声子的新方法

北京大学物理学院量子材料中心的陈钢课题组和香港大学合作团队在各向异性磁体中提出了产生手性拓扑声子的新机制，并指出其在磁声子和自旋电子学器件中的潜在应用。该工作以“各向异性自旋动力学通过磁晶格耦合诱导的手性声子”（Chiral phonons induced from spin dynamics via magnetoelastic anisotropy）为题发表在Physical Review Letters。

手性声子，即具有非零角动量的圆偏振晶格振动，最近在理论研究和实验测量中都引发很多的关注，引发了人们对利用声子进行信息存储和传输的兴趣。在这项工作中，课题组从理论上提出了一种在没有面外磁化和磁场的情况下从键相关磁弹性耦合中获得手性声子类激发的机制。在具有 D3 点群对称性的三角晶格铁磁体示例中（见图1），他们发现磁振子-声子杂化激发表现出非平凡的手性和拓扑（见图2）。然而，在具有D3h对称性的情况下，尽管杂化仍然存在，但激发在拓扑上是微不足道的，并没有手性。为了理解这种晶格对称性的重要性，课题组将自旋波动力学映射到人工振动模式，使完整的哈密顿量被视为纯声子哈密顿量。通过适当的晶格对称性，声子哈密顿量中的磁晶格耦合可以产生动态磁场，从而导致D类声子拓扑分类中的非简并手性和手性对称性破缺。这项工作不仅为磁性材料中的手性声子提供了一种新的机制，而且阐明了晶格对称性对磁晶格耦合系统的拓扑的重要性。

图1. 具有D3晶格对称的磁晶格耦合。

图2. 磁声子杂化的手性激发以及动量空间中的角动量分布。

作为一种可行的实验探测，课题组还评估了声子磁化强度和平面热霍尔电导率（见图3）。与之前涉及拉曼自旋晶格耦合或磁弹性耦合拓扑杂化的手性声子研究相比，所提出的机制不需要任何面外磁化或外部场，因此可以解释在CoTiO3中观察到的平面热霍尔效应。这项研究为拉曼自旋晶格耦合之外的可调谐拓扑和手性激发提供了新的视角，表明了各种各向异性磁体以及Kitaev材料中自旋电子学和声子学的潜在应用。

图3. 平面热霍尔效应对磁场温度的依赖关系。

香港大学物理系博士后马博文博士为第一作者，马博文博士、香港大学物理系汪子丹讲席教授、陈钢教授为该工作的通讯作者。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.246604