近日，九游APP下载物理学院张琦课题组，温锦生、鲍嵩课题组与中科院物理所万源团队合作，在声子角动量研究领域中取得进展。团队通过低波数磁光拉曼光谱，在亚铁磁绝缘体Fe_1.75Zn_0.25Mo₃O₈（FZMO）中发现了由自发时间反演对称性破缺诱导的手性声子态，实现了声子角动量的磁翻转，并揭示了手性声子畴的存在。在亚铁磁临界温度附近，该体系的手性声子的等效磁矩高达2.62 玻尔磁子（μ_B），是一般材料中声子的10⁴倍，超过了部分磁振子或电子的磁矩。

圆偏振的声子是固体中角动量转移的重要载体，对涉及角动量转移和守恒的物理现象具有重要意义，例如超快退磁、声子诱导的宏观磁化以及声子的非互易输运等。然而，作为无电荷、无自旋的玻色子，声子的外场调控一直面临巨大挑战。因此，在不改变晶格结构的前提下，探索对声子角动量和手性进行有效操控的方法，具有重要的基础研究价值与应用潜力。

在先前的工作中，研究团队发现了反铁磁绝缘体Fe₂Mo₃O₈中临界自旋涨落增强的声子磁矩，可达0.68 μ_B。这一工作揭示了该体系中自旋关联和涨落对声子的显著影响。这也意味着由时间反演对称性相关联的手性声子态，有可能通过磁化或外磁场实现调控。在本项研究中，团队聚焦Zn掺杂的Fe₂Mo₃O₈，其基态具有亚铁磁序。低波数拉曼光谱显示，随着亚铁磁序的建立，一对简并的声子逐渐打开能隙（见图1）。结合圆偏振分辨拉曼测量与磁场下声子的塞曼劈裂行为，研究人员确认了在零磁场下手性声子态的存在，这一现象来源于声子-磁振子耦合与亚铁磁序的协同作用。在无外加磁场条件下，该手性声子模式的劈裂达到其本征频率的20%，为目前已报道体系中的最大值。理论分析进一步表明，FZMO 中的手性声子与磁振子之间存在角动量选择性强耦合，耦合主要发生在角动量方向相同的模式之间；此外，该体系准二维亚铁磁涨落也放大了手性声子的能量劈裂。如图1c所示，磁相变温度附近，等效声子磁矩高达2.62 μ_B。图中不对称的塞曼劈裂现象来源于声子和磁振子的角动量选择性耦合。

图1 （a）亚铁磁序诱导的手性声子；（b）左图：一些特征温度下不同圆偏振激发-探测通道的拉曼光谱；右图：手性声子劈裂随温度的变化与磁化随温度的变化对比；（c）不同温度下手性声子频率的磁场依赖关系。

实验中，研究人员通过外加磁场使一对具有相反角动量的手性声子（P1a 与 P1b）在拉曼光谱中出现圆偏振反转，根据光学选择定则，这一行为表明了声子角动量的磁翻转。同时，还观测到声子角动量对外磁场响应的滞回效应。除了外场调控，磁畴提供了亚铁磁极化的空间调制。团队通过拉曼光谱与磁光显微成像，揭示了 FZMO 中与亚铁磁畴伴生的手性声子畴。这一发现为构建手性声子畴超结构，并实现对声子角动量的可控输运提供了新思路。值得关注的是，在具有二维蜂窝晶格的系统中，时间反演对称性的破缺有望导致Γ点声子的简并解除及拓扑非平庸声子能带的形成。特别是在亚铁磁畴边界，可能存在受拓扑保护的手征声子边界态，相关猜想尚待后续实验进一步验证。

图2（a）磁场翻转手性声子角动量；（b）手性声子频率随外磁场的滞回效应；（c）左图： FZMO亚铁磁畴的显微磁光成像；右图：手性声子畴的拉曼光谱空间扫描成像。

相关成果以“Magnetic switching of phonon angular momentum in a ferrimagnetic insulator”为题，于6月11日在线发表在《Physical Review Letters》。九游APP下载物理学院博士后武方亮、中科院物理所周婧博士为文章共同第一作者。九游APP下载物理学院张琦教授、中科院物理所万源研究员为论文的通讯作者。九游APP下载物理学院温锦生教授、鲍嵩助理教授提供了高质量单晶样品和磁性表征，博士生李良越协助了光谱实验工作。该项研究得到了科技部重点研发计划，国家自然科学基金，江苏省自然科学基金和江苏省基础物理研究中心的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/gcgl-9sbb