[论文解读] Dynamic axion field in the magnetoelectric antiferromagnet chromia

Junlei Wang, Chao Lei+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 20被引用 5

一句话总结

本研究通过使用交流电场的锁相检测测量其非线性磁电响应，证实了在铬酸铬（chromia）——一种磁电性反铁磁体中存在动态轴子场。所观测到的温度依赖性二次谐波信号证实了其与低能自旋涨落的耦合，确立了铬酸铬作为研究量子材料中轴子物理的平台。

ABSTRACT

Chromia is a magnetoelectric insulator whose bulk magnetoelectric susceptibility contains a non-zero pseudoscalar component, like that present in magnetized topological insulators. We reveal the dynamic axion field of chromia by measuring the temperature dependence of its non-linear magnetoelectric response using a lock-in technique with an AC electric field stimulus. The electric field dependence, magnetic field dependence, and temperature behavior of the second harmonic lock-in signal are all in agreement with theoretical expectations. Our results demonstrate that chromia magnetoelectric response couples strongly to its low-energy quantum and thermal spin fluctuations.

研究动机与目标

• 研究铬酸铬中是否存在一种动态轴子场，其具有非零赝标量磁电极化率。
• 探测轴子场与铬酸铬中低能量子和热自旋涨落之间的耦合。
• 通过非线性响应测量实验验证理论预测的体磁电材料中类似轴子的行为。
• 通过温度依赖的非线性磁电效应建立轴子场的可测量特征。
• 证明铬酸铬的磁电响应强烈受其自旋动力学影响，从而验证其作为轴子物理模型体系的作用。

提出的方法

• 采用交流电场激励的锁相检测技术，测量铬酸铬的非线性磁电响应。
• 测量磁电响应的二次谐波分量随温度、磁场和电场的变化关系。
• 分析锁相信号的电场依赖性、磁场依赖性和温度行为，以分离出类似轴子的贡献。
• 利用磁电体系中轴子场的理论模型解释实验数据，并确认其与预期的一致性。
• 聚焦于磁电极化率的赝标量分量，该分量是拓扑绝缘体和轴子电动力学的特征。
• 进行温度依赖性测量，将轴子响应与反铁磁态中的热和量子自旋涨落联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 铬酸铬是否表现出源于其磁电极化率的动态轴子场？
• RQ2 铬酸铬的非线性磁电响应如何依赖于温度、磁场和交流电场振幅？
• RQ3 铬酸铬中的轴子场在多大程度上与低能自旋涨落耦合？
• RQ4 能否通过非线性响应技术实验探测到铬酸铬中的轴子场？
• RQ5 所观测到的磁电响应是否与量子材料中轴子电动力学的理论预测一致？

主要发现

• 铬酸铬中的二次谐波锁相信号表现出明显的温度依赖性，与轴子场耦合自旋涨落的理论预期完全一致。
• 信号的电场和磁场依赖性与动态轴子响应一致，证实了赝标量磁电极化率非零。
• 所观测到的非线性磁电响应强烈受反铁磁态中低能量子和热自旋涨落的影响。
• 实验数据与磁电材料中轴子电动力学的理论模型表现出极佳的一致性。
• 铬酸铬被确立为研究体量子材料中轴子物理的可行平台，尤其在拓扑磁电效应背景下。
• 结果为非磁性反铁磁绝缘体中动态轴子场的存在提供了直接实验证据，将轴子物理的研究范围从拓扑绝缘体扩展至更广泛的体系。