第一作者：劉鎮，郭鍇
通訊作者：彭波，鄧龍江，仇成偉
通訊單位：電子科技大學，新加坡國立大學
研究亮點：
1. 該工作提出了非互易磁光散射效應的物理機制，澄清了磁場對極化張量非對角元對稱性破缺的調控行為。
2. 鐵磁二維材料CrI3對于實現非互易拓撲光子器件和拉曼激光器件具有重大的潛在價值。
研究背景
1845年，法拉第發現當線偏振光透過放置磁場中的物質后，光的偏振面會發生偏轉，這是人類歷史上首次觀測到磁光效應，即法拉第磁光效應；1876年，克爾發現當線偏振光被磁化物質反射后，其偏振面也發生偏轉（克爾效應）；Voigt、科頓和穆頓于1902和1907年分別發現，當線偏振光沿垂直磁場方向傳播透過物質時，平行和垂直于磁場方向的線偏振光的相速不同而產生的雙折射現象（Voigt效應和科頓-穆頓效應）。縱觀磁光效應的歷史，在1845-1907年間，透射光、反射光的磁光效應被陸續發現，并在1958年Dillon發現YIG晶體后而得到廣泛應用。目前，磁光效應及非互易磁光器件被廣泛應用于光纖通訊、磁存儲、激光陀螺等領域，是信息技術、集成光學系統中不可或缺的核心器件。
成果簡介
近日，
如今，彭波，鄧龍江和仇成偉課題組在鐵磁二維材料中發現了一種全新的磁光效應：非互易磁光散射效應。非彈性拉曼散射光的偏振面在磁場調控下發生偏轉，偏轉角比克爾效應高2個數量級。在10 K下，隨磁場由+2.5T到-2.5T變化，3L, 5L和 bulk CrI3的非彈性拉曼散射光的偏振面分別由-15o, -8o, -20o旋轉到+40o, +35o, +60o。這種非互易現象主要來源于磁場對極化張量的調控，鐵磁二維材料CrI3的非對角與對角元素的比值高達 5%，比經典鐵磁絕緣體CeYIG至少高1個數量級(Caroline A. Ross, et al. Sci. Rep. 2016, 6, 23640)。
相關研究工作于近期連續發表在《Science Advances》、《Nano lett.》。至此，透射光（法拉第效應）、反射光（克爾效應）、散射光的磁光效應均已在實驗上被發現和證實。
要點1：CrI3晶體結構
圖1. (A) 單層 CrI3晶體結構示意圖。(B) 3L CrI3的顯微光學照片，光學對比度約為-0.1，與為3層結構一致。(C) 3L, 5L和Bulk CrI3的拉曼光譜。(D) 0T磁場下，3L CrI3 Ag和Eg模式的拉曼散射強度偏振依賴圖。(E, F) ±2T磁場下，3L CrI3 Ag模式的拉曼散射強度偏振依賴圖。±2T時，偏振角度分別為+40? 和-15?，正負磁場旋轉角度的不對稱表明了非互易散射性質。
要點2：磁聲子非互易散射效應
圖2. (A) 5L CrI3 偏振依賴的拉曼散射強度隨磁場的變化圖，偏振面從-8?旋轉到+35?，正負磁場旋轉角度的不對稱表明了非互易散射性質。(B) 10 K下，3L, 5L以及bulk CrI3偏轉角度隨磁場的依賴關系圖。在3L，5L及bulk CrI3中均能觀測到非互易現象。(C)偏振軸關系示意圖。β 為實驗坐標系(xL, yL, zL)與晶軸坐標系 (xC, yC, zC)之間的夾角. θ實驗坐標系中非彈性拉曼散射角，B為磁場方向。
要點3：磁-聲子散射效應的物理機制
圖3. (A-B) 電偶極矩矢量、微分散射截面、坡印廷矢量以及散射方向關系圖。在外加磁場的作用下，由于時間反演對稱性的破缺，導致極化張量非對角元對稱性破缺，進而表現出非互易性。(C) Bulk CrI3 A3 g模式散射強度與磁場以及偏振面旋轉角的理論計算結果和實驗結果一致。(D) Bulk CrI3 A3 g模式的旋轉角與磁場、g之間的關系圖，旋轉角隨著參數g的減小而增大。
參考文獻
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
作者簡介
彭波，電子科技大學，教授/博導。2005年畢業于蘭州大學化學系（本科）；2010年畢業于中國科學院理化技術研究所（北京），博士。2010年6月至2015年5月，在新加坡南洋理工大學（Qihua Xiong）、新加坡國立大學（Kian Ping Loh）從事二維材料異質結界面電荷調控以及激子動力學行為的研究工作。2015年6月入職電子科技大學，致力于磁性材料、鐵磁二維材料物性與性能調控研究及其在光電子、光互聯等方面的新型器件的應用開發，在鐵磁二維材料非互易磁光效應、磁性和結構調控、自旋電子學器件等方面取得了一系列創新性研究成果。近5年，在Science Advances、PRL、Nano Lett.、ACS Nano等期刊發表SCI論文30余篇；近3年，在“中美華人納米論壇”、“ChinaNano”、“AsiaNano”、“ICON-2DMAT”、“PIERS”等國際重要會議上作特邀報告20余次。
仇成偉，新加坡國立大學電子與計算機工程系“院長講席教授”，Fellow of The Electromagnetics Academy，eLight雜志（Springer Nature 和長春光機所聯合創辦）創刊主編。2003年中國科學技術大學本科，2007年新加坡國立大學博士畢業，2008-2009在麻省理工物理系從事博士后研究。研究興趣為電磁散射理論與光力操控理論，結構表面和結構光場，低維材料光電子材料與器件與超構表面的融合體系。榮獲過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等期刊發表論文300余篇, 谷歌學術引用逾16000次。2019年Clarivate Analytics高被引學者。并擔任Laser and Photonics Review, Advanced Optical Materials, 和ACS Photonics的Editorial Advisory Board.
