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科学研究
科研成果
谢心澄课题组及合作者在反对称磁电耦合相关研究中取得新进展
发布日期:2022-06-14 浏览次数:
  供稿:王茂原  |   编校:孙祎、孙嘉琪   |   编辑:孙嘉琪   |   审核:冯济

一百多年前,人们发现在特殊体系做电磁测量时,电场能够产生磁化的同时磁场能产生电极化,这种现象被称为磁电耦合。2008年,斯坦福大学祁晓亮等人提出了拓扑磁电耦合,相应体系中可观测到半整数量子化的霍尔效应(Physical review B 78, 195424,2008)。随后,在具有磁电耦合的拓扑体系中,发现了许多新奇效应,例如负磁阻效应、手征磁效应、磁光效应等。

磁电耦合可以通过P = αBM = αE来描述,其中P是电极化强度,B是磁场,M是磁化强度,E是电场,α是磁电耦合系数。进一步,我们可以得到极化电流jp与束缚电流jb

jp = t P = ( t α )B + α( t B )

jb = × M = ( × α ) E + α( × E )

以及总的电流响应:

j = jp + jb = ( t α )B + ( × α ) E

其中有两项由于法拉第电磁感应定律 t B = - × E相互抵消,剩下的第一项被称为动力学轴子响应(Nature Physics 6, 284, 2010),而第二项便是拓扑磁电耦合体系中半整数量子化的霍尔效应的来源。

最近,tyc澳门太阳集团城网址量子材料科学中心博士后王茂原,在合作导师谢心澄院士的指导下,与北京师范大学物理学系刘海文教授合作,深入研究了新型反对称磁电耦合,相应体系能够实现由含时变化磁场驱动产生同方向电流响应jβ = 2βt B。具体来说,相比之前提到对称的磁电耦合α反对称磁电耦合β的反对称性体现在:

P = (α + β) B

M = (α – β) E

即在电场产生磁化与磁场产生电极化的相应系数互为相反数。同时,反对称磁电耦合β依赖于电磁场频率ω,一般写作β(ω)。有了反对称磁电耦合β(ω)之后,代入之前电流响应,可以得到

j = jp + jb = t [ α + β(ω) ]B + { × [ α - β(ω) ] } ⋅ E + 2β(ω)t B

这里便产生了含时变化磁场驱动产生同方向电流响应jβ = 2β(ω)t B

反对称磁电耦合的示意图

图中包括 (1) 极化电流jp = t PP为磁电耦合诱导的电极化强度; (2)法拉第定律t B = - × E; (3)磁电耦合诱导的磁化强度M; (4) 束缚电流jb = × M。考虑新型反对称磁电耦合后,时变磁场会诱导出动态磁电流δj = 2βξ(ω)∂t Bβξ(ω) = [ ξ(ω) - ξ’(ω)] / 2


对称的磁电耦合α与反对称的磁电耦合β(ω)的物理来源有所不同。对称的磁电耦合α体现了磁电耦合中电场E与磁场B的对易性,而反对称的磁电耦合β(ω)则是体现了电场E与磁场B的反对易性,而这来源于量子力学的中的推迟响应(retarded response),可以用Kubo公式进行描述。根据对称性分析研究,具有反对称磁电耦合的体系需要破缺时间反演、空间反演以及镜面反演对称性。因此,团队挑选了反铁磁体系Mn2Bi2Te5作为候选材料,研究了自旋轨道耦合强度以及电磁场频率ω对反对称磁电耦合大小的影响,并简单设计了实验观测方案。

2022年6月10日,相关研究成果以“新型含时反对称磁电耦合”(New Type of Anticommutative Dynamical Magnetoelectric Response)为题在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。王茂原为第一作者与通讯作者,刘海文和谢心澄为共同作者。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国博士后科学基金等的大力支持。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.236601