中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聲子是描述固體中晶格集體振動(dòng)的元激發(fā)。一般情況下，聲子通過(guò)離子運動(dòng)產(chǎn)生的軌道磁矩較微弱。然而，在一些材料中，聲子可通過(guò)耦合磁性自由度獲得較大的磁矩。大的聲子磁矩利于實(shí)現磁序與晶格振動(dòng)的相互調控，引起了科研人員的關(guān)注：一方面可以通過(guò)操控聲子來(lái)調控自旋動(dòng)力學(xué)以及材料的宏觀(guān)磁序；另一方面，可以通過(guò)操控磁序來(lái)調控聲子的性質(zhì)。當前科學(xué)家在一些順磁體系中已觀(guān)察到大的聲子磁矩，但磁有序體系中的聲子磁性罕見(jiàn)于文獻報道，長(cháng)程磁序與聲子的相互作用也有待探索。
近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)國家研究中心凝聚態(tài)理論與材料計算實(shí)驗室萬(wàn)源課題組，與南京大學(xué)物理學(xué)院張琦、溫錦生、孫建三個(gè)課題組結成聯(lián)合研究團隊，首次在磁有序系統中觀(guān)測到大的聲子磁矩，發(fā)現了磁性漲落對聲子磁矩的增強效應，并提出了磁有序系統中聲子磁性的新物理機制。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-物理》（Nature Physics）上。
實(shí)驗課題組結合磁光拉曼、非彈性中子散射技術(shù)，在反鐵磁絕緣體Fe2Mo3O8中觀(guān)測到一對具有拉曼活性的簡(jiǎn)并光學(xué)聲子（圖1）。這對聲子在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生塞曼劈裂，其有效磁矩約為0.11個(gè)玻爾磁子，為常規聲子軌道磁矩的數百倍。研究進(jìn)一步增加磁場(chǎng)，將體系驅動(dòng)到亞鐵磁相時(shí)，劈裂達到聲子頻率的1/4（圖2）。同時(shí)，聲子的有效磁矩隨溫度變化顯示反常行為，其數值在磁轉變溫度附近快速增長(cháng)（圖3）。
這些磁有序系統中聲子磁性的新實(shí)驗現象，難以通過(guò)基于順磁體系的既有理論來(lái)解釋。物理所副研究員萬(wàn)源指導的博士研究生周婧提出了磁有序系統中聲子磁性的新物理機制，并通過(guò)構造有效模型，結合解析計算與數值模擬，解釋了實(shí)驗結果。理論指出，該簡(jiǎn)并聲子通過(guò)與體系中的磁振子/順磁振子雜化獲得了有效磁矩。同時(shí)，體系在磁轉變溫度附近的臨界漲落可以進(jìn)一步放大聲子的有效磁矩——小的外磁場(chǎng)可以在體系中誘導出大的分子場(chǎng)。聲子在大的分子場(chǎng)下進(jìn)一步發(fā)生塞曼劈裂，表現出大的有效磁矩。這一理論不僅可以解釋聲子磁矩的反常溫度變化（圖3c/d），而且可以解釋聲子頻率隨溫度的反常藍移。
上述研究揭示了磁有序系統中聲子磁性的獨有特性，為未來(lái)進(jìn)一步開(kāi)展聲子與磁序的相互調控研究打下了實(shí)驗基礎與理論基礎。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃與國家自然科學(xué)基金的支持。
