科学家用声子精准调控磁性，有望促进量子和拓扑材料等领域发展

电子旋转与材料的磁性息息相关，例如磁盘、磁带等通过电子自旋来存储信息。但是，当磁结构失去磁性时，所存储的信息去哪里了呢？

一直以来，人们对磁存储消失过程的假定是，从电子传递到原子运动然后再耗散到环境中。然而，原子运动携带磁性和角动量的假定没有直接的科学证据。

如果这个假定是正确的，那么相反地，原子运动是不是可以成为一种新的手段来调控电子？

近期，美国莱斯大学团队首次完整定量地观测到声子的磁场，并直接验证了电子自旋和声子角动量具有完全可逆的转化关系。

研究人员开发了一种用声子精准磁化材料的方法，具体来说，通过手性声子在自旋-声子耦合作用下，使顺磁稀土卤化物氟化铈的自旋有向排列。并且，声子的等效磁场强度能够达到 1 特斯拉量级。

审稿人对该研究评价称，“这些结果代表了手性声子巨大的磁效应的首次实验验证，并具有对凝聚态物理学、材料科学和非线性光学领域具有重大影响潜力。实验和模型结果都是可靠的，并且从中得出的解释是有决定性的。”

该研究有望对量子和拓扑材料、磁性和自旋电子学和非线性光学、太赫兹科学、非平衡多体系统模拟、分子动力学和未来器件应用等领域产生促进作用。

图丨朱涵宇（中）、课题组成员罗家鸣和林彤（来源：朱涵宇）

近日，相关论文以《稀土卤化物中手性声子的有效大磁场》（Large effective magnetic fields from chiral phonons in rare-earth halides）为题发表在 Science[1]。莱斯大学博士生罗家鸣为论文第一作者，助理教授朱涵宇为论文通讯作者。

图丨相关论文（来源：Science）

手性声子是一个新兴的概念。2015 年，美国德州奥斯汀大学牛谦教授（现任职于中国科技大学）和张力发博士（现任职于南京师范大学）从理论上提出了手性声子及它的性质。

这里的“手性”定义，与通常所说的三维分子的静态结构手性略有不同。因为声子是一个动态结构，其手性指的是在二维空间加一维时间的体系里缺少反射对称性。

彼时，在加州大学伯克利分校张翔教授（现任职香港大学校长）课题组读博的朱涵宇，注意到这个理论，并于 2018 年第一次通过超快光学方法在实验上证实了声子的手性，相关论文发表在 Science [2]。

实际上，声子的手性问题是一个实验科学挑战，也存在许多理论上的未解难题。具体来说，虽然在实验上已验证手性声子的存在，但对它的具体特性以及可能产生的新应用尚不清楚。从技术手段来看，当时并没有合适的方法来控制声子的手性。

2018 年，朱涵宇在莱斯大学成立独立课题组，在控制手性方法上展开深入探索[3]。

在本次研究中，该团队用多种方法验证手性声子存在性，首次在实验中观察到手性声子能够控制磁化的现象。该研究的定量实验对验证相关理论模型至关重要，有助于加深理解电子自旋和晶格的相互作用。

“这是领域内首次能够定量地对手性声子的强度和有效磁场实现测量，测量结果远大于单纯从离子运动电流产生的磁场。

虽然对于如此强的自旋-声子耦合我们还没有完美的微观理论可以解释，但实验结果与基于量子可逆角动量交换的唯象模型符合得很好。”朱涵宇说。

图丨氟化铈中由手性声子引发的超快磁化（来源：Science）

材料中原子围绕平衡中心的旋转可以打破时间反演对称，尤其是能够打破电子结构的时间反演，有利于推动基础材料的发展，例如对于给定的量子材料调控与时间反演有关的量子态。

朱涵宇解释说道：“声子作为常规超导体媒介，调控手性声子可能有助于开发实现手性超导体的新方法。”

更广泛地来说，目前基于该方法能够在不改变材料化学成分的情况下，利用光场快速调控材料的性质。这些因素能够帮助科学家在短时间内观察到非常特别的、在平衡态下面不存在或不稳定的状态。

声子的速度在理论上可达到亚皮秒量级，并且，单个携带量子化角动量的声子的能量小于通常由三极管所注入的单个电子能量。

如果能够发展出能量效率更高的产生手性声子的方法，通过声子控制电子的自旋可能在未来应用于节能或者高频的自旋电子学器件。

“除了材料物理方面的突破，我们也从新的实验手段角度报导在声子的太赫兹频率实现高强度旋光光源，希望未来有更多的学者复现这种方法，实现更多及更广泛的应用。”朱涵宇表示。

图丨共振相干手性声子的测量，以及其偏振与磁化之间的关联（来源：Science）

需要了解的是，该方法现阶段的瓶颈之一是调控手段昂贵。目前，已经有很多研究人员在研究手性声子和手性分子之间的关系。

据了解，最近比较火热的课题之一，是化学合成新的手性分子和手性材料实现手性声子与电子的强作用，并在输运现象中观察到声子也同时带有手性或与电子自旋耦合。这些调控手段基于分子器件，并且以很低成本的电注入或热注入的方式。

“虽然这些方法并不是定量的研究，但更实用。因此，我相信声子调控的成本未来完全有可能降低。”朱涵宇表示。

现在，通过该研究已经证明了电子自旋和声子的相互作用。基于该方法模式选择和定量研究的优势，研究团队下一步将完善理论、探索更多的材料，以观测多种不同理论上提出的微观机制在各种材料体系中的相对强度和相互关联。