物理系楊魯懿課題組合作在籠目結構外爾鐵磁體中發(fā)現與軌道耦合太赫茲磁振子
清華新聞網7月9日電 磁振子是磁性材料中自旋波低能激發(fā)的基本準粒子，被視為新一代自旋電子器件中的信息載體。傳統(tǒng)鐵磁材料的鐵磁共振頻率通常在吉赫茲量級，這限制了其在太赫茲頻段的應用。盡管反鐵磁體具有更高的共振頻率，但由于其凈磁化為零，難以操控與探測。因此，發(fā)展同時具備高頻響應和易操控性的磁性材料體系成為亟待突破的關鍵問題。
近年來，除了自旋磁矩，軌道磁矩帶來的軌道流等效應也引起了廣泛關注。在固體中，軌道磁矩能夠引發(fā)類似自旋波的集體激發(fā)，即軌道磁振子，但其直接實驗觀測仍然處于起步階段。
近期，清華大學物理系楊魯懿副教授課題組與張廣銘教授、復旦大學袁喆教授、中國科學院物理研究所劉恩克研究員、北京理工大學姚裕貴教授和王秩偉教授合作，在籠目結構拓撲鐵磁體Co3Sn2S2中首次直接觀測到兩個太赫茲磁振子模式，揭示了軌道磁矩與自旋磁矩強耦合下形成的非常規(guī)集體激發(fā)，并為發(fā)展超高速自旋電子器件提供了新思路。
Co3Sn2S2是一種具有強磁晶各向異性的鐵磁外爾半金屬，其電子拓撲態(tài)與自旋構型之間的相互作用帶來了一系列引人入勝的性質，包括巨大的反常霍爾效應、反常能斯特效應和磁光效應，以及最近楊魯懿課題組發(fā)現的磁有序誘導的手性聲子等。
研究團隊利用超快時間分辨磁光克爾效應（trMOKE）技術（圖1a），對該材料的超快磁振子動力學展開了系統(tǒng)研究。在6K時，他們觀察到了兩支頻率分別為0.61和0.49太赫茲的磁子（圖1b、c）。這是迄今為止在鐵磁材料中發(fā)現的最高鐵磁共振頻率，比傳統(tǒng)鐵磁子頻率高了1至2個數量級。
圖1.（a）trMOKE的實驗示意圖；（b）在溫度6K與磁場7T下trMOKE信號；（c）FFT頻譜
研究團隊進一步進行了不同溫度下的變磁場測量（圖2）。結果顯示，在溫度低于149K時，觀測到兩個清晰的共振模式。隨著溫度的升高，由于磁晶各向異性場的減小，兩個模式的共振能量逐漸接近。當溫度超過149K時，由于線寬大于能量劈裂，只能解析出一個共振模式。在152K到155K的溫度范圍內，隨著磁場的增加，共振頻率由紅移轉為藍移。在更高溫度下，該共振頻率隨外加磁場線性藍移，表明此時磁矩進動主要受到外加磁場的驅動。
圖2.磁振子的磁場和溫度依賴性
更值得注意的是，傳統(tǒng)的單一自旋磁矩無法解釋觀察到的兩個磁子模式現象。通過簡單的Kittel鐵磁共振模型對兩個共振模式進行擬合，發(fā)現它們具有不同的郎德g因子，分別為2.2和1.8，明顯偏離了常規(guī)自旋g=2的理論值，表明其來源于自旋與軌道磁矩的耦合態(tài)。Co3Sn2S2的籠目晶格結構與平帶特性導致電子軌道的局域化，從而形成軌道磁矩。因此，研究團隊提出這兩個磁子的起源是自旋磁矩與軌道磁矩耦合（圖3a）所產生的集體激發(fā)，并構建了自旋-軌道耦合的磁子模型。該理論模型能夠很好地擬合實驗數據，并揭示自旋磁矩與軌道磁矩隨溫度變化的關系（圖3b），與近期X射線磁圓二向色性（XMCD）測量結果相符。盡管軌道磁矩約為0.007μB，遠小于自旋磁矩的0.3μB，但由于自旋軌道耦合作用，使得兩個磁子的本征模式都包含自旋和軌道成分，從而能夠被實驗觀測到。
圖3.（a）自旋軌道磁子有效模型示意圖；（b）自旋及軌道磁矩隨溫度的變化關系
該研究首次在鐵磁材料中實現了軌道耦合磁振子的時域探測，開創(chuàng)性地揭示了軌道自由度對鐵磁集體激發(fā)的影響，為基于拓撲磁體的太赫茲磁子學器件以及超快磁控制的發(fā)展奠定了基礎。
相關研究成果以“籠目結構鐵磁體中太赫茲頻率軌道耦合磁振子的發(fā)現”（Discovery of terahertz-frequency orbitally coupled magnons in a kagome ferromagnet）為題，于7月4日發(fā)表于《科學進展》（Science Advances）。
清華大學物理系2018級博士生車夢倩（已畢業(yè)）為論文第一作者，物理系副教授楊魯懿、教授張廣銘為論文共同通訊作者。其他合作者還包括北京師范大學陳偉釗博士，廈門大學副教授王茂原，清華大學國際訪問學生付麥克（Michael Bartram）博士（已畢業(yè)）、物理系2019級博士生劉良洋（已畢業(yè)）、2021級博士生李義典和2022級博士生林好，中國科學院物理研究所博士生董學彬和北京理工大學劉錦錦博士。
研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金和清華大學篤實專項的支持。
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