近日，重慶大學(xué)物理學(xué)院王銳教授與許東輝教授團隊在雙圓偏振光驅(qū)動旋磁效應(yīng)研究中取得重要進展。相關(guān)研究成果以“Gyrotropic Magnetic Effect in Black Phosphorus Irradiated with Bicircular Light”為題發(fā)表于《科學(xué)通報》(Science Bulletin)上（DOI：10.1016/j.scib.2025.11.006）。

旋磁效應(yīng)（Gyrotropic magnetic effect）是描述緩慢變化的磁場作用下產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，被認為自然旋光性在低頻極限下的表現(xiàn)。理論研究表明，空間反演對稱性破缺的手性外爾半金屬是實現(xiàn)旋磁效應(yīng)的理想平臺，其旋磁系數(shù)與外爾半金屬節(jié)點間能量分離成正比，這使得旋磁效應(yīng)成為探測拓撲電子結(jié)構(gòu)的直接手段。然而，該效應(yīng)的實驗觀測仍面臨兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)：首先，在多數(shù)空間反演對稱破缺的外爾半金屬中，時間反演對稱性仍然保持，加之晶體對稱性的約束，導(dǎo)致相反手性的外爾點在能量上簡并，從而使凈旋磁電流為零；其次，盡管部分本征手性半金屬（如CoSi、AlPt）中外爾點能量發(fā)生分離，但體系中通常存在多對外爾點，各對外爾點所產(chǎn)生的旋磁響應(yīng)相互疊加、干擾，使得對效應(yīng)的直接探測與清晰辨識變得極為困難。因此，實現(xiàn)旋磁效應(yīng)實驗觀測的核心關(guān)鍵在于獲得僅含單一對且能級顯著分離的外爾點的外爾半金屬體系。

圖1. 雙圓偏振光驅(qū)動的旋磁電流概念圖與模型結(jié)果。

鑒于此，研究團隊從理論上提出了一種實現(xiàn)旋磁效應(yīng)的新機制：利用雙圓偏振光輻照各向異性節(jié)線半金屬。該方案的核心在于，通過光場驅(qū)動選擇性地破壞體系的空間對稱性，從而在動量空間中誘導(dǎo)出僅存一對且能量顯著分離的外爾點。這種受控的能帶結(jié)構(gòu)為產(chǎn)生純凈、可觀測的旋磁電流提供了理想條件（圖1）。通過第一性原理計算與Floquet理論結(jié)合，研究團隊發(fā)現(xiàn)黑磷（Black phosphorus）是該方案的理想載體材料。其固有的強晶體各向異性能夠顯著增強旋磁響應(yīng)，理論預(yù)測所產(chǎn)生的旋磁電流密度可達μA/μm2量級（圖2）。研究還表明，該電流可通過調(diào)控雙圓偏振光的偏振態(tài)和強度進行連續(xù)操控，并論證了在現(xiàn)有激光技術(shù)與測量條件下實現(xiàn)的可行性。此項工作不僅為在凝聚態(tài)體系中直接觀測長期難以捕捉的旋磁效應(yīng)提供了明確的理論方案與材料平臺，也凸顯了光場對稱性工程在調(diào)控拓撲物態(tài)方面的巨大潛力，為在凝聚態(tài)體系中探索光與物質(zhì)的相互作用開辟了新視角。

圖2. 黑磷中雙圓偏振光誘導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)演化與可操控的旋磁電流。

物理學(xué)院詹方洋博士為該論文的第一作者，王銳教授和許東輝教授為該論文的通訊作者，重慶大學(xué)為第一作者和通訊作者單位。論文作者還包括重慶師范大學(xué)余鵬教授和靳鑫副教授，重慶大學(xué)馬大帥副研究員以及南方科技大學(xué)范靖博士。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、重慶市自然科學(xué)基金、北京凝聚態(tài)物理國家實驗室、中國博士后科學(xué)基金、重慶市博士后研究項目以及重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目的資助。

論文全文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.11.006

來源：物理學(xué)院