在凝聚态物理中，手性玻色子系统（如具有手性的声子）一直备受关注。手性声子因原子在垂直传播方向的旋转运动而产生，携带着非零的角动量和磁矩，在爱因斯坦-德哈斯效应、声子霍尔效应以及反常热霍尔效应等诸多现象中发挥关键作用，可作为能量和信息的载体。同时，在磁性材料中，原子的圆周运动与电子自旋的强耦合也为操控磁性提供了新途径。此前，尽管已有理论研究预测在具有自发时间反演对称性破缺的中心对称晶格系统中，声子能通过与电子拓扑耦合而出现圆偏振（Phys. Rev. Lett. 127,186403 (2021)、Phys. Rev. B 105,064303 (2022)），但一直缺乏相关实验验证。

近日，由东南大学杨润副教授（第一作者）、斯图加特大学Martin Dressel教授课题组（通讯作者）、中国科学院物理研究所邱祥冈课题组、中国科学院理论物理研究所张田田副研究员（共同通讯）组成的研究团队在《Physical Review Letters》杂志发表了一篇题为“Inherent Circular Dichroism of Phonons in Magnetic Weyl Semimetal Co₃Sn₂S₂”的研究论文（DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.196905），报道了在磁性外尔半金属Co₃Sn₂S₂中，通过红外光谱学实验观测到无外场下声子呈现圆偏振现象。

研究团队聚焦于磁性外尔半金属Co₃Sn₂S₂，其具有中心对称晶格结构。在居里温度（TC≈175 K）以下，Co₃Sn₂S₂具有倾斜的外尔节线环。研究人员采用反射率和极化克尔旋转光谱学等方法，对样品的光学性质进行了详细测量和分析。在Co₃Sn₂S₂的光电导中，研究人员发现低于居里温度时，原本对称的声子吸收峰展现出不对称的Fano线形。这表明声子与电荷激发之间存在强耦合。根据能量尺度，这种耦合源于红外Eu模式声子与Weyl节线环上电子激发的干涉效应。在极化克尔旋转光谱中，除了电子响应信号外，研究团队还观测到声子的信号。在右旋和左旋圆偏振的光电导中，声子的吸收峰存在明显差异，证明了声子在两种圆偏振通道中的耦合强度不同。在两种圆偏振通道中，不同程度的电声子耦合打破了声子场的时间反演对称性，导致声子峰位的分裂。由于磁交换作用使拓扑能带逐渐移动，声子的圆二色性还表现出显著的温度依赖性。

该研究在磁性拓扑材料中提供了无磁场下声子圆偏振的实验证据，证实了即使在中心对称系统中，声子也能通过与拓扑能带间电子的激发的耦合实现圆偏振。这一发现不仅加深了人们对声子物理性质的认识，还为未来通过温度、掺杂、门电压和外磁场等多种手段操控声子极化和手性开辟了新途径。

这项工作得到了国家重点研发计划（No. 2024YFA1408400、No. 2023YFA1407400、No. 2024YFA1400036）、自然科学基金（No. 12474152、No. 12374165、No. 12047503）、东南大学优势理科学科交叉平台、教育部量子材料与信息器件重点实验室开放基金、德国科学基金会以及洪堡学者博士后基金的资助与支持，体现了国际合作在前沿物理研究中的重要作用。

此外，近期清华大学杨鲁懿教授团队通过拉曼散射方法也在Co₃Sn₂S₂中发现了声子的圆二色性（Phys. Rev. Lett. 134,196906 (2025)），进一步印证了该现象的存在。

Co₃Sn₂S₂中红外活性的Eu模式声子，在两个圆偏振通道中不同程度的电声子耦合导致了声子的圆二色性。(a)极性Kerr旋转测量的示意图，其中光与磁矩平行但垂直于样品表面。(b)在10 K温度下测量的低于0.8 eV的Kerr旋转角光谱。插图显示了在不同温度T下测量的声子B、C和D的Kerr旋转光谱，其中电子背景被减去(c)Co₃Sn₂S₂在10 K下的圆偏振光学电导率σ₁^±(ω)。四个红外活性声子用大写字母标记。虚线表示非偏振光学电导率σ_xx1(ω) = 1/2[σ₁⁺(ω) + σ₁⁻(ω)]。(d) 每种圆偏振下的EPC示意图，其中构成Weyl节点环的能带具有不同的角动量+3/2（橙色）和+1/2（蓝色），分别表示。实线和虚线表示声子和电子的直接带间跃迁。(e)–(g) 在10 K下每种圆偏振下声子B、C和D的线形。黑色实线是Fano模型的拟合。

原文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.196905