自旋非共线反铁磁中新奇磁光效应及其多场调控研究

Owing to the scalar or vector spin chirality, many exciting physical phenomena can emerge in noncollinear antiferromagnets (nc-AFM). So far, nc-AFM has already become a hot topic in the field of condensed matter physics. Magneto-optical (MO) effects, as the fundamental physical phenomena in magnetic materials, have not only abundant physical contents but also promising applications for magnetism exploring and MO devices. Nevertheless, there are not yet deep understandings about the physical origins and application modes of the MO effects in nc-AFM. In this project, using the first-principles calculations and effective tight-binding models, as well as experimental measurements, the following issues will be systematically investigated. (1) We will explore novel MO effects in nc-AFM, such as the topological MO effects without spin-orbit coupling and its quantum version. (2) We will study the influences of external fields (e.g., electric, magnetic, and strain fields) on the MO effects in nc-AFM and propose efficient approaches for the multiple-field-controlling of MO effects. (3) We will search new three- and two-dimensional nc-AFM and find out excellent MO candidates among them. This project will set up the theoretical and material foundations for further developments of MO-related fields.

由于标量或矢量自旋手性的存在，自旋非共线反铁磁中涌现出很多新奇的物理现象，目前已经成为凝聚态物理中非常前沿的研究领域。磁光效应是磁性材料中一种基本的物理现象，既有丰富的物理内容，在磁性探测和磁光器件等方面也有着重要的应用前景。然而，目前对自旋非共线反铁磁中磁光效应的机理和应用还缺乏足够了解。本项目将基于第一性原理计算和紧束缚有效模型分析、同时结合实验测量来研究下面几个问题：（1）探索自旋非共线反铁磁中可能存在的新奇磁光效应，例如不需要自旋轨道耦合的拓扑磁光效应和量子化的拓扑磁光效应；（2）研究外场作用（电场、磁场和应变场）对自旋非共线反铁磁中磁光效应的影响，提出多场调控磁光效应的手段和方案；（3）寻找新的三维和二维自旋非共线反铁磁，并筛选性能优异的磁光宿主材料。通过本项目的研究，有望为磁光效应相关领域的进一步发展建立物理和材料基础。

由于自旋手性的存在，自旋非共线反铁磁中涌现出很多新奇的物理现象，目前已经成为凝聚态物理学和材料物理学中非常前沿的一个研究领域。磁光效应是磁性材料中一种最基本的物理现象，既有丰富的物理研究内容，在磁性探测和磁光器件等方面也有着重要的应用价值。本项目使用第一性原理计算方法、紧束缚模型和群理论分析，系统研究了非共线反铁磁等多种磁性材料中的新奇磁光效应及其多场调控问题。已取得的重要研究成果有：（a）自旋轨道耦合和能带交换劈裂被普遍认为是磁光效应的物理起源，然而我们在非共面反铁磁中首次发现了起源于标量自旋手性的一阶、二阶拓扑磁光效应和量子化的拓扑磁光效应，我们也详细研究了非共线反铁磁中的自旋结构在外场调控下的改变规律以及自旋手性依赖的磁光效应；（b）过去人们认为磁性材料中的非磁性原子对磁光效应的影响是可以忽略的，然而我们发现共线反铁磁中非磁性原子位置变化可以带来晶体手性，进而引起晶体手性磁光效应，并且首次发现了反铁磁中磁晶各向异性能、轨道磁矩与磁光效应之间的线性依赖关系；（c）我们发现了二维拓扑节线铁磁半金属中的量子磁光效应，系统研究了二维范德瓦尔斯层状磁性材料中的一阶、二阶磁光效应及其多场调控；（d）虽然人们对磁光效应的研究已有170余年的历史，然而在这个古老的领域中却不断有新的研究突破，鉴于此，我们在中文物理期刊《物理》上综述了磁光效应领域的最新研究进展；（e）由于磁光效应与反常霍尔效应等反常输运性质具有非常密切的关系，我们也探索了非共线反铁磁等多种磁性材料中的反常输运性质，包括非共线反铁磁中自旋手性依赖的反常霍尔效应和反常能斯特效应、磁性拓扑准半金属中外场调控的反常霍尔效应、磁性拓扑准半金属中由于拓扑和无序增强的反常霍尔/反常能斯特/自旋霍尔/自旋能斯特效应、二维铁谷极化半导体材料中可逆的能谷依赖反常输运性质。