聲子是描述固體中晶格集體振動的元激發(fā)。一般情況下，聲子通過離子運動產(chǎn)生的軌道磁矩較微弱。然而，在一些材料中，聲子可通過耦合磁性自由度獲得較大的磁矩。大的聲子磁矩利于實現(xiàn)磁序與晶格振動的相互調(diào)控，引起了科研人員的關(guān)注：一方面可以通過操控聲子來調(diào)控自旋動力學(xué)以及材料的宏觀磁序；另一方面，可以通過操控磁序來調(diào)控聲子的性質(zhì)。當(dāng)前科學(xué)家在一些順磁體系中已觀察到大的聲子磁矩，但磁有序體系中的聲子磁性罕見于文獻(xiàn)報道，長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)理論與材料計算實驗室萬源課題組，與南京大學(xué)物理學(xué)院張琦、溫錦生、孫建三個課題組結(jié)成聯(lián)合研究團(tuán)隊，首次在磁有序系統(tǒng)中觀測到大的聲子磁矩，發(fā)現(xiàn)了磁性漲落對聲子磁矩的增強(qiáng)效應(yīng)，并提出了磁有序系統(tǒng)中聲子磁性的新物理機(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-物理》（Nature Physics）上。

實驗課題組結(jié)合磁光拉曼、非彈性中子散射技術(shù)，在反鐵磁絕緣體Fe₂Mo₃O₈中觀測到一對具有拉曼活性的簡并光學(xué)聲子（圖1）。這對聲子在外磁場的作用下發(fā)生塞曼劈裂，其有效磁矩約為0.11個玻爾磁子，為常規(guī)聲子軌道磁矩的數(shù)百倍。研究進(jìn)一步增加磁場，將體系驅(qū)動到亞鐵磁相時，劈裂達(dá)到聲子頻率的1/4（圖2）。同時，聲子的有效磁矩隨溫度變化顯示反常行為，其數(shù)值在磁轉(zhuǎn)變溫度附近快速增長（圖3）。

這些磁有序系統(tǒng)中聲子磁性的新實驗現(xiàn)象，難以通過基于順磁體系的既有理論來解釋。物理所副研究員萬源指導(dǎo)的博士研究生周婧提出了磁有序系統(tǒng)中聲子磁性的新物理機(jī)制，并通過構(gòu)造有效模型，結(jié)合解析計算與數(shù)值模擬，解釋了實驗結(jié)果。理論指出，該簡并聲子通過與體系中的磁振子/順磁振子雜化獲得了有效磁矩。同時，體系在磁轉(zhuǎn)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——小的外磁場可以在體系中誘導(dǎo)出大的分子場。聲子在大的分子場下進(jìn)一步發(fā)生塞曼劈裂，表現(xiàn)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(lán)移。

上述研究揭示了磁有序系統(tǒng)中聲子磁性的獨有特性，為未來進(jìn)一步開展聲子與磁序的相互調(diào)控研究打下了實驗基礎(chǔ)與理論基礎(chǔ)。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃與國家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接

圖1.?Fe₂Mo₃O₈的聲子激發(fā)

圖2.?Fe₂Mo₃O₈從反鐵磁相過渡到亞鐵磁相時，產(chǎn)生巨大的聲子劈裂

圖3.?臨界漲落引起聲子磁矩增強(qiáng)