Science advances：发现一种全新的二维铁磁非互易磁光效应
第一作者：刘镇，郭锴
通讯作者：彭波，邓龙江，仇成伟
通讯单位：电子科技大学，新加坡国立大学
研究亮点：
1. 该工作提出了非互易磁光散射效应的物理机制，澄清了磁场对极化张量非对角元对称性破缺的调控行为。
2. 铁磁二维材料CrI3对于实现非互易拓扑光子器件和拉曼激光器件具有重大的潜在价值。
研究背景
1845年，法拉第发现当线偏振光透过放置磁场中的物质后，光的偏振面会发生偏转，这是人类历史上首次观测到磁光效应，即法拉第磁光效应；1876年，克尔发现当线偏振光被磁化物质反射后，其偏振面也发生偏转（克尔效应）；Voigt、科顿和穆顿于1902和1907年分别发现，当线偏振光沿垂直磁场方向传播透过物质时，平行和垂直于磁场方向的线偏振光的相速不同而产生的双折射现象（Voigt效应和科顿-穆顿效应）。纵观磁光效应的历史，在1845-1907年间，透射光、反射光的磁光效应被陆续发现，并在1958年Dillon发现YIG晶体后而得到广泛应用。目前，磁光效应及非互易磁光器件被广泛应用于光纤通讯、磁存储、激光陀螺等领域，是信息技术、集成光学系统中不可或缺的核心器件。
成果简介
近日，
如今，彭波，邓龙江和仇成伟课题组在铁磁二维材料中发现了一种全新的磁光效应：非互易磁光散射效应。非弹性拉曼散射光的偏振面在磁场调控下发生偏转，偏转角比克尔效应高2个数量级。在10 K下，随磁场由+2.5T到-2.5T变化，3L, 5L和 bulk CrI3的非弹性拉曼散射光的偏振面分别由-15o, -8o, -20o旋转到+40o, +35o, +60o。这种非互易现象主要来源于磁场对极化张量的调控，铁磁二维材料CrI3的非对角与对角元素的比值高达 5%，比经典铁磁绝缘体CeYIG至少高1个数量级(Caroline A. Ross, et al. Sci. Rep. 2016, 6, 23640)。
相关研究工作于近期连续发表在《Science Advances》、《Nano lett.》。至此，透射光（法拉第效应）、反射光（克尔效应）、散射光的磁光效应均已在实验上被发现和证实。
要点1：CrI3晶体结构
图1. (A) 单层 CrI3晶体结构示意图。(B) 3L CrI3的显微光学照片，光学对比度约为-0.1，与为3层结构一致。(C) 3L, 5L和Bulk CrI3的拉曼光谱。(D) 0T磁场下，3L CrI3 Ag和Eg模式的拉曼散射强度偏振依赖图。(E, F) ±2T磁场下，3L CrI3 Ag模式的拉曼散射强度偏振依赖图。±2T时，偏振角度分别为+40˚ 和-15˚，正负磁场旋转角度的不对称表明了非互易散射性质。
要点2：磁声子非互易散射效应
图2. (A) 5L CrI3 偏振依赖的拉曼散射强度随磁场的变化图，偏振面从-8˚旋转到+35˚，正负磁场旋转角度的不对称表明了非互易散射性质。(B) 10 K下，3L, 5L以及bulk CrI3偏转角度随磁场的依赖关系图。在3L，5L及bulk CrI3中均能观测到非互易现象。(C)偏振轴关系示意图。β 为实验坐标系(xL, yL, zL)与晶轴坐标系 (xC, yC, zC)之间的夹角. θ实验坐标系中非弹性拉曼散射角，B为磁场方向。
要点3：磁-声子散射效应的物理机制
图3. (A-B) 电偶极矩矢量、微分散射截面、坡印廷矢量以及散射方向关系图。在外加磁场的作用下，由于时间反演对称性的破缺，导致极化张量非对角元对称性破缺，进而表现出非互易性。(C) Bulk CrI3 A3 g模式散射强度与磁场以及偏振面旋转角的理论计算结果和实验结果一致。(D) Bulk CrI3 A3 g模式的旋转角与磁场、g之间的关系图，旋转角随着参数g的减小而增大。
参考文献
1. Liu, Z.; et al. Observation of nonreciprocal magneto phonon effect in nonencapsulated few-layered CrI3. Science Advances. 6, eabc7628 (2020)
https://advances.sciencemag.org/content/6/43/eabc7628.full
2. Fu, W., et al. An anomalous magneto-optic effect in epitaxial indium selenide layers. Nano Lett. 20 5330-5338 (2020). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01704
Liu, Z., Deng, L. & Peng, B. Ferromagnetic and ferroelectric two-dimensional materials for memory application. Nano. Res.,
DOI: 10.1007/s12274-020-2860-3 https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-020-2860-3
作者简介
彭波，电子科技大学，教授/博导。2005年毕业于兰州大学化学系（本科）；2010年毕业于中国科学院理化技术研究所（北京），博士。2010年6月至2015年5月，在新加坡南洋理工大学（Qihua Xiong）、新加坡国立大学（Kian Ping Loh）从事二维材料异质结界面电荷调控以及激子动力学行为的研究工作。2015年6月入职电子科技大学，致力于磁性材料、铁磁二维材料物性与性能调控研究及其在光电子、光互联等方面的新型器件的应用开发，在铁磁二维材料非互易磁光效应、磁性和结构调控、自旋电子学器件等方面取得了一系列创新性研究成果。近5年，在Science Advances、PRL、Nano Lett.、ACS Nano等期刊发表SCI论文30余篇；近3年，在“中美华人纳米论坛”、“ChinaNano”、“AsiaNano”、“ICON-2DMAT”、“PIERS”等国际重要会议上作特邀报告20余次。
仇成伟，新加坡国立大学电子与计算机工程系“院长讲席教授”，Fellow of The Electromagnetics Academy，eLight杂志（Springer Nature 和长春光机所联合创办）创刊主编。2003年中国科学技术大学本科，2007年新加坡国立大学博士毕业，2008-2009在麻省理工物理系从事博士后研究。研究兴趣为电磁散射理论与光力操控理论，结构表面和结构光场，低维材料光电子材料与器件与超构表面的融合体系。荣获过URSI Young Scientist Award (2008), NUS Young Investigator Award (2011), MIT TR35@Asia Award (2012), Young Scientist Award by Singapore National Academy of Science (2013), Faculty Young Research Award in NUS (2013), SPIE Rising Researcher Award (2017), and Young Engineering Research Award in NUS (2018)。已在Science，Nature，Nature Nanotechnology，Nature Materials，Nature Photonics，Light: Science and Applications，PNAS，PRL等期刊发表论文300余篇, 谷歌学术引用逾16000次。2019年Clarivate Analytics高被引学者。并担任Laser and Photonics Review, Advanced Optical Materials, 和ACS Photonics的Editorial Advisory Board.