聲子是描述固體中晶格集體振動的元激發。一般情況下，聲子通過離子運動產生的軌道磁矩較微弱。然而，在一些材料中，聲子可通過耦合磁性自由度獲得較大的磁矩。大的聲子磁矩利于實現磁序與晶格振動的相互調控，引起了科研人員的關注：一方面可以通過操控聲子來調控自旋動力學以及材料的宏觀磁序；另一方面，可以通過操控磁序來調控聲子的性質。當前科學家在一些順磁體系中已觀察到大的聲子磁矩，但磁有序體系中的聲子磁性罕見于文獻報道，長程磁序與聲子的相互作用也有待探索。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態國家研究中心凝聚態理論與材料計算實驗室萬源課題組，與南京大學物理學院張琦、溫錦生、孫建三個課題組結成聯合研究團隊，首次在磁有序系統中觀測到大的聲子磁矩，發現了磁性漲落對聲子磁矩的增強效應，并提出了磁有序系統中聲子磁性的新物理機制。相關研究成果發表在《自然-物理》（Nature Physics）上。
實驗課題組結合磁光拉曼、非彈性中子散射技術，在反鐵磁絕緣體Fe2Mo3O8中觀測到一對具有拉曼活性的簡并光學聲子（圖1）。這對聲子在外磁場的作用下發生塞曼劈裂，其有效磁矩約為0.11個玻爾磁子，為常規聲子軌道磁矩的數百倍。研究進一步增加磁場，將體系驅動到亞鐵磁相時，劈裂達到聲子頻率的1/4（圖2）。同時，聲子的有效磁矩隨溫度變化顯示反常行為，其數值在磁轉變溫度附近快速增長（圖3）。
這些磁有序系統中聲子磁性的新實驗現象，難以通過基于順磁體系的既有理論來解釋。物理所副研究員萬源指導的博士研究生周婧提出了磁有序系統中聲子磁性的新物理機制，并通過構造有效模型，結合解析計算與數值模擬，解釋了實驗結果。理論指出，該簡并聲子通過與體系中的磁振子/順磁振子雜化獲得了有效磁矩。同時，體系在磁轉變溫度附近的臨界漲落可以進一步放大聲子的有效磁矩——小的外磁場可以在體系中誘導出大的分子場。聲子在大的分子場下進一步發生塞曼劈裂，表現出大的有效磁矩。這一理論不僅可以解釋聲子磁矩的反常溫度變化（圖3c/d），而且可以解釋聲子頻率隨溫度的反常藍移。
上述研究揭示了磁有序系統中聲子磁性的獨有特性，為未來進一步開展聲子與磁序的相互調控研究打下了實驗基礎與理論基礎。研究工作得到國家重點研發計劃與國家自然科學基金的支持。
