近日，重慶大學(xué)物理學(xué)院王銳教授與許東輝教授團(tuán)隊(duì)在雙圓偏振光驅(qū)動(dòng)旋磁效應(yīng)研究中取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Gyrotropic Magnetic Effect in Black Phosphorus Irradiated with Bicircular Light”為題發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》(Science Bulletin)上（DOI：10.1016/j.scib.2025.11.006）。
旋磁效應(yīng)（Gyrotropic magnetic effect）是描述緩慢變化的磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，被認(rèn)為自然旋光性在低頻極限下的表現(xiàn)。理論研究表明，空間反演對(duì)稱(chēng)性破缺的手性外爾半金屬是實(shí)現(xiàn)旋磁效應(yīng)的理想平臺(tái)，其旋磁系數(shù)與外爾半金屬節(jié)點(diǎn)間能量分離成正比，這使得旋磁效應(yīng)成為探測(cè)拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)的直接手段。然而，該效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)仍面臨兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)：首先，在多數(shù)空間反演對(duì)稱(chēng)破缺的外爾半金屬中，時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性仍然保持，加之晶體對(duì)稱(chēng)性的約束，導(dǎo)致相反手性的外爾點(diǎn)在能量上簡(jiǎn)并，從而使凈旋磁電流為零；其次，盡管部分本征手性半金屬（如CoSi、AlPt）中外爾點(diǎn)能量發(fā)生分離，但體系中通常存在多對(duì)外爾點(diǎn)，各對(duì)外爾點(diǎn)所產(chǎn)生的旋磁響應(yīng)相互疊加、干擾，使得對(duì)效應(yīng)的直接探測(cè)與清晰辨識(shí)變得極為困難。因此，實(shí)現(xiàn)旋磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)的核心關(guān)鍵在于獲得僅含單一對(duì)且能級(jí)顯著分離的外爾點(diǎn)的外爾半金屬體系。
圖1. 雙圓偏振光驅(qū)動(dòng)的旋磁電流概念圖與模型結(jié)果。
鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)從理論上提出了一種實(shí)現(xiàn)旋磁效應(yīng)的新機(jī)制：利用雙圓偏振光輻照各向異性節(jié)線(xiàn)半金屬。該方案的核心在于，通過(guò)光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)選擇性地破壞體系的空間對(duì)稱(chēng)性，從而在動(dòng)量空間中誘導(dǎo)出僅存一對(duì)且能量顯著分離的外爾點(diǎn)。這種受控的能帶結(jié)構(gòu)為產(chǎn)生純凈、可觀(guān)測(cè)的旋磁電流提供了理想條件（圖1）。通過(guò)第一性原理計(jì)算與Floquet理論結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)黑磷（Black phosphorus）是該方案的理想載體材料。其固有的強(qiáng)晶體各向異性能夠顯著增強(qiáng)旋磁響應(yīng)，理論預(yù)測(cè)所產(chǎn)生的旋磁電流密度可達(dá)μA/μm2量級(jí)（圖2）。研究還表明，該電流可通過(guò)調(diào)控雙圓偏振光的偏振態(tài)和強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)操控，并論證了在現(xiàn)有激光技術(shù)與測(cè)量條件下實(shí)現(xiàn)的可行性。此項(xiàng)工作不僅為在凝聚態(tài)體系中直接觀(guān)測(cè)長(zhǎng)期難以捕捉的旋磁效應(yīng)提供了明確的理論方案與材料平臺(tái)，也凸顯了光場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性工程在調(diào)控拓?fù)湮飸B(tài)方面的巨大潛力，為在凝聚態(tài)體系中探索光與物質(zhì)的相互作用開(kāi)辟了新視角。
圖2. 黑磷中雙圓偏振光誘導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)演化與可操控的旋磁電流。
物理學(xué)院詹方洋博士為該論文的第一作者，王銳教授和許東輝教授為該論文的通訊作者，重慶大學(xué)為第一作者和通訊作者單位。論文作者還包括重慶師范大學(xué)余鵬教授和靳鑫副教授，重慶大學(xué)馬大帥副研究員以及南方科技大學(xué)范靖博士。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、重慶市自然科學(xué)基金、北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)博士后科學(xué)基金、重慶市博士后研究項(xiàng)目以及重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目的資助。
論文全文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.11.006
來(lái)源：物理學(xué)院
