[论文解读] Topological Inverse Faraday Effect in Weyl Semimetals

Yang Gao, Chong Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 26被引用 7

一句话总结

本文提出了一种由动量空间螺旋自旋结构与外尔节点的手性相互作用驱动的拓扑反法拉第效应，导致频率无关的光致磁化。该效应源于拓扑保护，可在50 fs激光脉冲下实现低于120 fs的超快全光磁化开关。

ABSTRACT

We demonstrate that in Weyl semimetals, the momentum-space helical spin texture can couple to the chirality of the Weyl node to generate a frequency-independent magnetization in response to circularly polarized light through the inverse Faraday effect. This frequency-independence is rooted in the topology of the Weyl node. Since the helicity and the chirality are always locked for Weyl nodes, this effect is not subject to any symmetry constraint. Finally, we show that the photoinduced frequency-independent magnetization is robust against lattice effect and has a magnitude large enough to realize ultrafast all-optical magnetization switching below picosecond.

研究动机与目标

• 研究动量空间螺旋自旋结构在外尔半金属中反法拉第效应（IFE）中的作用。
• 确定外尔半金属中的IFE是否具有频率无关性且受拓扑保护。
• 评估光致磁化对晶格效应和对称性约束的鲁棒性。
• 评估利用该效应实现超快全光磁化开关的可行性。

提出的方法

• 使用二阶响应理论进行理论分析，推导反法拉第张量的对角分量 β_zz。
• 从贝里曲率（Ω_z）与自旋矩阵元差（Δs_z）的乘积在 n=m 极限下推导 β_zz。
• 使用有效低能哈密顿量建模具有螺旋自旋结构的外尔节点，并量化 β_zz。
• 通过外尔半金属的晶格模型模拟，测试频率无关 IFE 对晶格效应的鲁棒性。
• 使用包含自旋弛豫时间 τ₀ 的速率方程对磁化动力学进行现象学建模。
• 通过交换耦合产生的有效场 H = J S_loc · s_el 估算开关时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 外尔半金属中的螺旋自旋结构能否诱导频率无关的反法拉第效应？
• RQ2 外尔半金属中的光致磁化是否受拓扑保护且对晶格效应具有鲁棒性？
• RQ3 外尔节点的手性与螺旋性的共同作用是否导致对称性不受限的 IFE？
• RQ4 该 IFE 是否能实现低于皮秒的超快全光磁化开关？

主要发现

• 由于外尔节点的手性与螺旋性的拓扑保护，外尔半金属中的反法拉第效应具有频率无关性。
• 光致磁化对晶格效应具有鲁棒性，且无需对光频率进行精细调谐。
• IFE 张量的对角分量 β_zz 不受对称性保护，可在非中心对称和磁性外尔半金属中存在。
• 在 1 mJ/cm² 激光辐照下，每单位晶胞的感应磁化可达约 0.23 μB，足以产生开关的有效场。
• 使用 50 fs 激光脉冲可在约 120 fs 内实现超快磁化开关，证明其在光自旋电子学应用中的可行性。
• 晶格模型模拟结果与低能有效理论高度一致，验证了 n=m 跃迁在外尔效应响应中的主导作用。