研究揭示了极性反铁磁体中的巨大波动增强声子磁矩

铁磁波动增强声子磁矩示意图。红点和绿点分别代表铁离子在F2MO3O8四生原和八生原的运动。信用:吴等人。

基于第一原理计算的P1声子原子位移示意图。拉曼光谱在20K时显示P1声子塞曼分裂,相应的磁矩为0.11B。c,临界温度(60k)左右的波动增强PMMS。信用:吴等人。

　　声子是与声音或晶格振动有关的准粒子，可以携带动量和角动量。然而，这些准粒子通常被认为具有可以忽略的磁矩。

　　南京大学和中国科学院的研究人员最近进行了一项实验，研究极性反铁磁体Fe2Mo3O8的声子磁矩。他们的研究发表在《自然物理》杂志上，揭示了由Fe2Mo3O8中的自旋波动增强的巨大声子磁矩。

　　“最近在非磁性拓扑系统中发现的大型声子磁矩(PMM)启发我们思考自旋有序系统中声子的磁性，”进行这项研究的研究人员之一张琪告诉Phys.org。

　　“乍一看，各种类型的自旋-晶格相互作用应该支持磁性材料中的大PMM，然而，在这项工作之前它还没有被确定。多体关联和涨落在PMM形成中的作用尚不清楚。

　　和他的同事最近工作的主要目标是更好地理解声子和磁性之间的相互作用。为此，他们对反铁磁体Fe2Mo3O8进行了一系列实验。

　　“声子的大磁矩提供了晶格振动和各种磁过程之间的直接联系，这为声子控制磁动力学以及基于PMM的新型自旋信息设备提供了新的机会，”张解释说。“在材料体系的选择方面，我们专注于ⅰ型多铁性Fe2Mo3O8，它表现出非常大的热霍尔系数，表明强自旋-晶格耦合。”

　　在他们的实验中，张和他们的同事使用了两种关键技术，即磁拉曼光谱和非弹性中子散射。这些技术使他们能够揭示Fe2Mo3O8单晶中42 cm-1 (5.3 meV)的一对低位激发的声子性质。

　　“然后我们通过声子塞曼效应获得了这些模式的声子磁矩(PMM)，即通过测量磁场下偏振分辨拉曼光谱中声子频移的斜率，”张说。"在反铁磁相和顺磁相的边界附近发现了不寻常的PMM增强."

　　最近的这项实验研究是由中国科学院袁万教授的团队和南京大学温金生教授的实验室联合进行的。万教授的团队进行了对称性分析，以勾勒出一个最简单的模型，该模型捕捉到了支撑实验的基本物理学，而温教授合成了样本，并收集了中子测量结果。

　　“这篇论文最引人注目的发现是磁转变附近600%的亚铁磁涨落增强，”张说。原则上，这种涨落增强可以提供超过电子磁矩或磁振子模式(2玻尔磁子)的PMM，甚至随磁化率而发散

　　研究人员最终在他们的样本中检测到声子磁矩增强了六倍。在未来，他们的工作和总结他们观察结果的理论微观模型可以为磁性和声子之间相互作用的有趣发现铺平道路。

　　“一方面，我们现在计划将这项工作扩展到非平衡领域，例如，我们对手性声子驱动的磁动力学甚至瞬态铁磁性感兴趣，”张补充道。“另一方面，对于具有大磁矩的声子，我们计划探索它在热输运过程中的行为，以及在这个系统中是否会发生声子版本的自旋霍尔效应。”