電子旋轉與材料的磁性息息相關，例如磁碟、磁帶等通過電子自旋來存儲信息。但是，當磁結構失去磁性時，所存儲的信息去哪裡了呢？
一直以來，人們對磁存儲消失過程的假定是，從電子傳遞到原子運動然後再耗散到環境中。然而，原子運動攜帶磁性和角動量的假定沒有直接的科學證據。
如果這個假定是正確的，那麼相反地，原子運動是不是可以成為一種新的手段來調控電子？
（來源：羅家鳴/朱涵宇）
近期，美國萊斯大學團隊首次完整定量地觀測到聲子的磁場，並直接驗證了電子自旋和聲子角動量具有完全可逆的轉化關係。
研究人員開發了一種用聲子精準磁化材料的方法，具體來說，通過手性聲子在自旋-聲子耦合作用下，使順磁稀土鹵化物氟化鈰的自旋有向排列。並且，聲子的等效磁場強度能夠達到 1 特斯拉量級。
審稿人對該研究評價稱，「這些結果代表了手性聲子巨大的磁效應的首次實驗驗證，並具有對凝聚態物理學、材料科學和非線性光學領域具有重大影響潛力。實驗和模型結果都是可靠的，並且從中得出的解釋是有決定性的。」
該研究有望對量子和拓撲材料、磁性和自旋電子學和非線性光學、太赫茲科學、非平衡多體系統模擬、分子動力學和未來器件應用等領域產生促進作用。
圖丨朱涵宇（中）、課題組成員羅家鳴和林彤（來源：朱涵宇）
近日，相關論文以《稀土鹵化物中手性聲子的有效大磁場》（Large effective magnetic fields from chiral phonons in rare-earth halides）為題發表在 Science[1]。萊斯大學博士生羅家鳴為論文第一作者，助理教授朱涵宇為論文通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Science）
手性聲子是一個新興的概念。2015 年，美國德州奧斯汀大學牛謙教授（現任職於中國科技大學）和張力發博士（現任職於南京師範大學）從理論上提出了手性聲子及它的性質。
這裡的「手性」定義，與通常所說的三維分子的靜態結構手性略有不同。因為聲子是一個動態結構，其手性指的是在二維空間加一維時間的體系里缺少反射對稱性。
彼時，在加州大學伯克利分校張翔教授（現任職香港大學校長）課題組讀博的朱涵宇，注意到這個理論，並於 2018 年第一次通過超快光學方法在實驗上證實了聲子的手性，相關論文發表在 Science [2]。
實際上，聲子的手性問題是一個實驗科學挑戰，也存在許多理論上的未解難題。具體來說，雖然在實驗上已驗證手性聲子的存在，但對它的具體特性以及可能產生的新應用尚不清楚。從技術手段來看，當時並沒有合適的方法來控制聲子的手性。
2018 年，朱涵宇在萊斯大學成立獨立課題組，在控制手性方法上展開深入探索[3]。
在本次研究中，該團隊用多種方法驗證手性聲子存在性，首次在實驗中觀察到手性聲子能夠控制磁化的現象。該研究的定量實驗對驗證相關理論模型至關重要，有助於加深理解電子自旋和晶格的相互作用。
「這是領域內首次能夠定量地對手性聲子的強度和有效磁場實現測量，測量結果遠大於單純從離子運動電流產生的磁場。
雖然對於如此強的自旋-聲子耦合我們還沒有完美的微觀理論可以解釋，但實驗結果與基於量子可逆角動量交換的唯象模型符合得很好。」朱涵宇說。
圖丨氟化鈰中由手性聲子引發的超快磁化（來源：Science）
材料中原子圍繞平衡中心的旋轉可以打破時間反演對稱，尤其是能夠打破電子結構的時間反演，有利於推動基礎材料的發展，例如對於給定的量子材料調控與時間反演有關的量子態。
朱涵宇解釋說道：「聲子作為常規超導體媒介，調控手性聲子可能有助於開發實現手性超導體的新方法。」
更廣泛地來說，目前基於該方法能夠在不改變材料化學成分的情況下，利用光場快速調控材料的性質。這些因素能夠幫助科學家在短時間內觀察到非常特別的、在平衡態下面不存在或不穩定的狀態。
聲子的速度在理論上可達到亞皮秒量級，並且，單個攜帶量子化角動量的聲子的能量小於通常由三極體所注入的單個電子能量。
如果能夠發展出能量效率更高的產生手性聲子的方法，通過聲子控制電子的自旋可能在未來應用於節能或者高頻的自旋電子學器件。
「除了材料物理方面的突破，我們也從新的實驗手段角度報導在聲子的太赫茲頻率實現高強度旋光光源，希望未來有更多的學者復現這種方法，實現更多及更廣泛的應用。」朱涵宇表示。
圖丨共振相干手性聲子的測量，以及其偏振與磁化之間的關聯（來源：Science）
需要了解的是，該方法現階段的瓶頸之一是調控手段昂貴。目前，已經有很多研究人員在研究手性聲子和手性分子之間的關係。
據了解，最近比較火熱的課題之一，是化學合成新的手性分子和手性材料實現手性聲子與電子的強作用，並在輸運現象中觀察到聲子也同時帶有手性或與電子自旋耦合。這些調控手段基於分子器件，並且以很低成本的電注入或熱注入的方式。
「雖然這些方法並不是定量的研究，但更實用。因此，我相信聲子調控的成本未來完全有可能降低。」朱涵宇表示。
現在，通過該研究已經證明了電子自旋和聲子的相互作用。基於該方法模式選擇和定量研究的優勢，研究團隊下一步將完善理論、探索更多的材料，以觀測多種不同理論上提出的微觀機制在各種材料體系中的相對強度和相互關聯。
參考資料：
1.Jiaming Luo et al. Large effective magnetic fields from chiral phonons in rare-earth halides. Science 382, 698-702 (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi9601
2.Hanyu Zhu et al.Observation of chiral phonons. Science 359, I6375,579-582(2018).https://www.science.org/doi/10.1126/science.aar2711
3.Jiaming Luo et al. Evidence for Topological Magnon–Phonon Hybridization in a 2D Antiferromagnet down to the Monolayer Limit. Nano Letters 23, 5, 2023–2030 (2023). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00351.
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