由于非平凡的量子几何，在交替磁体中移动的波包对外部场表现出非线性响应。图片来源：Fang 等人。

近年来，许多物理学家和材料科学家一直在研究一类新发现的磁性材料，称为替代磁体。这些材料表现出一种独特的磁性类型，不同于传统的铁磁性和反铁磁性，其标志是电子的自旋根据其动量而变化。

这种独特的磁性使互通磁体在开发新的自旋电子学和电子设备方面非常有前途。它还为拓扑材料的研究（即，源自其电子结构拓扑结构的具有独特电子特性的系统）开辟了新的可能性。

Stony Brook 大学的研究人员进行了一项研究，旨在更好地了解平面交替磁体的非线性响应。他们的论文发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，报告了在这些材料中观察到的非线性响应，这些响应源自其量子几何学。

“最近，两项实验证实了量子几何学在传统 PT 对称反铁磁体的二阶响应中的预测作用，”该论文的合著者 Sayed Ali Akbar Ghorashi 告诉 Phys.org。

“在这些材料中，由于奇偶性 （P） 和时间反转 （T） 对称性的结合，Berry 曲率（量子几何张量的虚部）消失了，并且表明二阶响应由量子度量（量子几何张量的实部）控制。”

交替磁体缺乏组合的 PT 对称性。因此，量子几何学对这些材料中报道的非线性响应的影响仍然难以捉摸。

“我们工作的目标是推导出交替磁体的非线性响应，并区分 Berry 曲率和量子度量的贡献，”Ghorashi 说。“我们的发现最终比预期的要戏剧化。”

最初，Ghorashi 和他的同事们着手研究交替磁体的非线性响应以及驱动这种响应的因素。为此，他们首先使用半经典玻尔兹曼理论计算了对电场中三阶互通磁体非线性响应的所有贡献。

“我们在散射时间中逐个顺序发现了每个术语的量子几何起源，”Ghorashi 说。“接下来，对于每个平面交替磁体，我们使用对称性来确定哪些贡献在三阶电导率的纵向和霍尔分量中仍然存在。”

研究人员进行的计算和分析产生了令人惊讶且富有洞察力的结果。具体来说，他们确定了由材料的量子几何引起的平面交替磁体中的非线性响应。

“值得注意的是，由于反转对称替磁体的二阶响应消失了，”Ghorashi 解释说。

“因此，据我们所知，它们是第一类以三阶响应为主导非线性响应的材料。此外，我们表明由于这些材料中的大自旋分裂，这种响应是巨大的。此外，互交磁体的弱自旋轨道耦合（与磁交换项相比）也出现在它们的非线性响应中，为这类新材料提供了一种新颖的传输特性，这在以前仅限于寻找线性异常霍尔电导率。

这项最新研究的结果为研究交替磁体及其独特性质开辟了新的可能性。最值得注意的是，它揭示了这类新发现的材料中非线性传输的独特特征，这可以指导未来的实验，旨在进一步检查它们并描绘其量子几何的各个方面。

“我们近期的一个研究方向将是超越弛豫时间近似，研究无序的影响，这已经被证明可以丰富 PT 对称反铁磁体的物理学，”Ghorashi 补充道。

更多信息：Yuan Fang 等人，量子几何在交替磁体中诱导的非线性传输，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.106701。在 arXiv 上：DOI： 10.48550/arxiv.2310.11489

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv