北京
交錯磁體是近年來凝聚態物理與自旋電子學領域中備受關注的一類非常規磁性體系，其核心特征在于雙重屬性的獨特結合：在實空間上，它與傳統反鐵磁體類似，宏觀磁矩近乎完全抵消；而在動量空間中，則呈現出類似鐵磁體的自旋劈裂能帶結構。這種“實空間反鐵磁、動量空間類鐵磁”的奇特組合，使其兼具低雜散場、超快響應速度和強自旋相關響應等優勢，展現出重要的應用前景。然而，如何通過高效的實驗手段同時捕捉這兩種屬性，一直是該領域亟待解決的關鍵難題。
磁光效應被廣泛用于探測材料的自旋相關物理性質與電子結構。根據時間反演對稱性的不同行為，可區分兩種主要的磁光效應：時間反演反對稱的磁光克爾效應（Magneto-optical Kerr Effect-MOKE）和時間反演對稱的磁光福格特（Magneto-optical Voigt Effect-MOVE）效應。傳統上，MOKE作為一種高靈敏探針用于表征鐵磁體，其信號與磁化強度（M）成線性關系。然而，在完全補償的反鐵磁體中，由于磁子晶格呈反平行排列，凈磁化強度為零。因此，任何與M成線性（奇函數）關系的磁光效應，都會因來自相反子晶格的信號發生相消干涉而受到抑制。相比之下，時間反演對稱的磁光福格特效應對反鐵磁奈爾序高度敏感，常作為其主要診斷工具。鑒于磁光克爾效應對鐵磁性高度敏感，而磁光福格特效應對反鐵磁性敏感，兩者有望在交錯磁體中同時出現，從而為這一新興磁性體系提供潛在的指紋特征。
圖 (a) MnTe超快磁光響應測試構型；(b) 探測光偏振依賴的磁光響應；(c)Δ t = 3.0 ps處的角度依賴的磁光信號；(d) 磁光克爾效應和福格特效應的動力學演化過程；(e)MnTe自旋分辨的態密度示意圖。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學實驗室的成昭華研究員課題組，聯合香港科技大學和松山湖材料實驗室等單位，在交錯磁體MnTe研究中取得重要突破。研究團隊首次在該材料中觀測到顯著的磁光克爾效應與磁光福格特效應共存，并系統揭示了兩者分別源自動量空間中的貝利曲率與實空間中的奈爾反鐵磁序，從而為交錯磁體提供了明確的磁光指紋特征。研究團隊采用時間分辨磁光技術，對30 nm厚的MnTe薄膜的磁光響應進行了系統研究，通過精細調控探測光的偏振狀態和磁場方向，成功分離出磁光克爾效應與福格特效應的各自貢獻。結合對稱性分析與第一性原理計算，研究進一步表明：磁光克爾信號呈磁場反對稱特性，主要由交錯磁結構中動量空間的貝利曲率分布所主導；而福格特信號呈磁場對稱特性，源自面內奈爾矢量誘導的各向異性介電響應，反映了實空間中的反鐵磁序。更為引人注目的是，兩種磁光響應在時間尺度上也表現出明顯差異：克爾信號約在445 fs內弛豫，而福格特響應呈現雙過程弛豫，時間常數分別約為642 fs和1.42 ps。這表明磁光克爾效應對應的電子結構響應更快，而福格特效應所關聯的自旋有序變化相對較慢，從動力學層面進一步揭示了交錯磁體的雙重本質。
該研究表明，磁光克爾效應與福格特效應的共存及其迥異的超快動力學行為，可作為識別交錯磁性的有效磁光指紋特征。這一發現不僅深化了對補償型磁體中非常規磁光響應的理解，也為利用交錯磁體實現光、自旋與電子自由度協同操控開辟了新路徑。相關成果以“Ultrafast Magneto-Optical Fingerprints of Altermagnetism in MnTe”為題，發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
中國科學院物理研究所楊旭副研究員和香港科技大學程星愷為論文的共同第一作者，成昭華研究員和香港科技大學劉軍偉副教授為共同通訊作者。參加該工作的主要成員還包括松山湖材料實驗室阿秒中心馮紅梅高級工程師、中國科學院物理研究所磁學實驗室張向群副主任工程師和何為副研究員。該研究得到國家重點研發計劃、香港研究資助局、國家自然科學基金等項目的支持。
編輯：Bingbing
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