7月9日，磁振子是磁性材料中自旋波低能激發(fā)的基本準粒子，被視為新一代自旋電子器件中的信息載體。傳統(tǒng)鐵磁材料的鐵磁共振頻率通常在吉赫茲量級，這限制了其在太赫茲頻段的應(yīng)用。盡管反鐵磁體具有更高的共振頻率，但由于其凈磁化為零，難以操控與探測。因此，發(fā)展同時具備高頻響應(yīng)和易操控性的磁性材料體系成為亟待突破的關(guān)鍵問題。

近年來，除了自旋磁矩，軌道磁矩帶來的軌道流等效應(yīng)也引起了廣泛關(guān)注。在固體中，軌道磁矩能夠引發(fā)類似自旋波的集體激發(fā)，即軌道磁振子，但其直接實驗觀測仍然處于起步階段。

近期，清華大學物理系楊魯懿副教授課題組與張廣銘教授、復旦大學袁喆教授、中國科學院物理研究所劉恩克研究員、北京理工大學姚裕貴教授和王秩偉教授合作，在籠目結(jié)構(gòu)拓撲鐵磁體Co3Sn2S2中首次直接觀測到兩個太赫茲磁振子模式，揭示了軌道磁矩與自旋磁矩強耦合下形成的非常規(guī)集體激發(fā)，并為發(fā)展超高速自旋電子器件提供了新思路。

Co3Sn2S2是一種具有強磁晶各向異性的鐵磁外爾半金屬，其電子拓撲態(tài)與自旋構(gòu)型之間的相互作用帶來了一系列引人入勝的性質(zhì)，包括巨大的反?；魻栃?yīng)、反常能斯特效應(yīng)和磁光效應(yīng)，以及最近楊魯懿課題組發(fā)現(xiàn)的磁有序誘導的手性聲子等。

研究團隊利用超快時間分辨磁光克爾效應(yīng)（trMOKE）技術(shù)（圖1a），對該材料的超快磁振子動力學展開了系統(tǒng)研究。在6K時，他們觀察到了兩支頻率分別為0.61和0.49太赫茲的磁子（圖1b、c）。這是迄今為止在鐵磁材料中發(fā)現(xiàn)的最高鐵磁共振頻率，比傳統(tǒng)鐵磁子頻率高了1至2個數(shù)量級。

圖1.（a）trMOKE的實驗示意圖；（b）在溫度6K與磁場7T下trMOKE信號；（c）FFT頻譜

研究團隊進一步進行了不同溫度下的變磁場測量（圖2）。結(jié)果顯示，在溫度低于149K時，觀測到兩個清晰的共振模式。隨著溫度的升高，由于磁晶各向異性場的減小，兩個模式的共振能量逐漸接近。當溫度超過149K時，由于線寬大于能量劈裂，只能解析出一個共振模式。在152K到155K的溫度范圍內(nèi)，隨著磁場的增加，共振頻率由紅移轉(zhuǎn)為藍移。在更高溫度下，該共振頻率隨外加磁場線性藍移，表明此時磁矩進動主要受到外加磁場的驅(qū)動。

圖2.磁振子的磁場和溫度依賴性

更值得注意的是，傳統(tǒng)的單一自旋磁矩無法解釋觀察到的兩個磁子模式現(xiàn)象。通過簡單的Kittel鐵磁共振模型對兩個共振模式進行擬合，發(fā)現(xiàn)它們具有不同的郎德g因子，分別為2.2和1.8，明顯偏離了常規(guī)自旋g=2的理論值，表明其來源于自旋與軌道磁矩的耦合態(tài)。Co3Sn2S2的籠目晶格結(jié)構(gòu)與平帶特性導致電子軌道的局域化，從而形成軌道磁矩。因此，研究團隊提出這兩個磁子的起源是自旋磁矩與軌道磁矩耦合（圖3a）所產(chǎn)生的集體激發(fā)，并構(gòu)建了自旋-軌道耦合的磁子模型。該理論模型能夠很好地擬合實驗數(shù)據(jù)，并揭示自旋磁矩與軌道磁矩隨溫度變化的關(guān)系（圖3b），與近期X射線磁圓二向色性（XMCD）測量結(jié)果相符。盡管軌道磁矩約為0.007μB，遠小于自旋磁矩的0.3μB，但由于自旋軌道耦合作用，使得兩個磁子的本征模式都包含自旋和軌道成分，從而能夠被實驗觀測到。

圖3.（a）自旋軌道磁子有效模型示意圖；（b）自旋及軌道磁矩隨溫度的變化關(guān)系

該研究首次在鐵磁材料中實現(xiàn)了軌道耦合磁振子的時域探測，開創(chuàng)性地揭示了軌道自由度對鐵磁集體激發(fā)的影響，為基于拓撲磁體的太赫茲磁子學器件以及超快磁控制的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以“籠目結(jié)構(gòu)鐵磁體中太赫茲頻率軌道耦合磁振子的發(fā)現(xiàn)”（Discovery of terahertz-frequency orbitally coupled magnons in a kagome ferromagnet）為題，于7月4日發(fā)表于《科學進展》（Science Advances）。

清華大學物理系2018級博士生車夢倩（已畢業(yè)）為論文第一作者，物理系副教授楊魯懿、教授張廣銘為論文共同通訊作者。其他合作者還包括北京師范大學陳偉釗博士，廈門大學副教授王茂原，清華大學國際訪問學生付麥克（Michael Bartram）博士（已畢業(yè)）、物理系2019級博士生劉良洋（已畢業(yè)）、2021級博士生李義典和2022級博士生林好，中國科學院物理研究所博士生董學彬和北京理工大學劉錦錦博士。

研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金和清華大學篤實專項的支持。