近日，物电学院青年教师周小东博士与李印威教授在反铁磁磁光效应的研究中取得重要进展，相关研究成果以“Layer Control of Magneto-Optical Effects and Their Quantization in Spin-Valley Splitting Antiferromagnets”为题，发表在国际知名期刊Nano Letters上。江苏师范大学为唯一署名单位，物电学院2022级硕士研究生冯嘉琪为论文的第一作者，周小东博士与李印威教授为通讯作者，徐美玲副教授与石景明教授为论文合作作者。该工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的支持。
磁光效应是物理学中一种非常重要的物理现象，其反映了光与磁之间的基本相互作用。磁光效应的家族十分庞大，典型代表如克尔与法拉第效应，它们分别描述了线偏振光经过磁性材料反射和透射后变为椭圆偏振光的物理现象。目前磁光效应已成为最先进的光谱探测技术手段之一，例如用于可视化磁畴、测量二维材料磁序以及探测拓扑与能谷特性等。随着固体能带理论的发展，人们逐渐认识到磁光效应的物理起源是能带交换劈裂与自旋轨道耦合。能带交换劈裂一般来源于磁性材料自发磁化强度导致的塞曼效应，由于反铁磁净磁化强度为零，其能带通常呈现出Kramers自旋简并的特征。因此，传统的观点认为反铁磁材料不可能出现磁光效应。而最近的研究表明，磁光效应本质上是由磁对称性控制，其不仅可以在传统的铁磁体中观察到，也可以在一些具有矢量自旋手性或标量自旋手性的非共线反铁磁中出现。这些突破性的发现引发了对反铁磁磁光效应的研究热潮，并成为一个重要的研究方向。
本研究工作基于多铁双层反铁磁Nb3I8与拓扑双层反铁磁MnBi2Te4，提出了一种新的磁光效应家族成员，即层控磁光效应，其起源于自旋与能谷的共同劈裂。研究发现通过层堆垛方式/磁化方向的演化，可以动态地调控双层Nb3I8的自旋劈裂/能谷劈裂，继而实现磁光信号动态开启与关闭。传统的TP堆垛（T是时间反演，P是空间反演）具有谷极化特性，但由于能带为自旋二度简并，TP对称的两套能带的光学跃迁将会相互抵消，导致磁光效应消失 （如图a-b）。相比之下，TP 破缺的层堆垛结构导致体系自旋与能谷同时劈裂。区别于交错磁体的自旋-动量锁定特征，层控反铁磁的能谱在整个布里渊区都可能出现自旋劈裂现象。这种独特的自旋极化特征联合强自旋轨道耦合效应可以诱导出不同自旋成分的能态发生光学跃迁（spin-flip带间跃迁），从而打破传统的自旋禁阻跃迁，引起非零的磁光效应（如图c-d）。层控磁光效应的典型特征是其符号由铁电极化方向与奈尔矢量方向共同控制（如图e-f）。此外，在传统的TP堆垛反铁磁中，通过施加相反方向的电场，也可以实现磁光效应符号的翻转。对于拓扑绝缘反铁磁MnBi2Te4，这种符号可逆的磁光效应甚至可以在低频极限下实现量子化，即量子磁光效应。本研究工作为磁光效应家族引入了层-自旋-谷-铁电等特性，使磁光效应这个古老的研究领域焕发了新的生机。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c05052
周小东博士，2022年毕业于北京理工大学凝聚态物理专业，致力于磁性拓扑材料输运性质方面的研究，至今以第一/通讯作者身份发表SCI论文10余篇，包括2篇Phys. Rev. Lett. （其中一篇被选为编辑推荐Editors' Suggestion）、3篇Nano Lett.、3篇Phys. Rev. B/Mater.等。主持国家自然科学青年基金、江苏省自然科学青年基金和江苏省高校面上项目。
李印威教授, 国家优秀青年基金获得者，入选江苏省“333工程”高层次人才、“六大人才高峰”、“省高校优秀科技创新团队带头人”以及“青蓝工程”优秀青年骨干教师。主要从事高压下新型功能材料的设计，在Nature、Nature Communications、PRL、PNAS等期刊发表SCI论文50余篇，被引2500余次，多篇入选ESI高被引论文。获获教育部自然科学奖一等奖（排名第四）、中国新锐科技人物、徐州市十大青年科技奖等荣誉。