爱磁左手还是磁右手?
在二十世纪凝聚态物理最重要的概念中,“对称性及其破缺”应算一个。这一说法虽然霸道,但应无人质疑。冯端先生还很推崇安德森老爷子,说他是与朗道齐名的凝聚态物理学家。如果只是从表面看、从黎民大众是否知晓的角度看,“对称性及其破缺”应比“安德森局域化”和“演生现象”的影响更为广泛和深远。对称性的知识,是凝聚态物理人的看家本领,更别提量子材料人对对称性的偏爱了。像 Ising 这种滥竽充数者,乃独此一份,只是因为在参与运行这个《npj QM》刊物,也常硬着头皮到处宣称自己是“量子材料人”、是“对称性及其破缺”的喜爱者,以避免被行家看穿^_^。
不过,我们都承认,对称性是一门深刻的学问,全面掌握起来不容易。我们可以好好学习《群论》,但《群论》学好了,未必就能很好理解对称性及其破缺的物理。很多如我这般的物理人,都只知道一点对称性操作的皮毛,对其背后的破缺物理总有些诚惶诚恐。到二十一世纪,凝聚态开始向拓扑量子材料进军。如此,本以为可以避开对称性探索的艰难困苦,却不曾想到:随着拓扑凝聚态向深度和广度拓展,对称性也正在变得越来越重要,甚至正在比肩拓扑本身。
这是共识吧?因此,坐下来,好好学习对称性及其破缺物理,同样很重要。
手性、手征的视觉意义。
https://www.sciensation.org/hands-on_experiments/e5011c_chirality.html
其中,我们凝聚态和量子材料领域用得最多、也最通俗易懂的对称操作,可能就是“时间反演对称”和“空间反转对称”了。原因很简单,前者对应磁性,后者对应电极性,都是凝聚态最接地气的大类。Ising 先前以为,弄懂“时间反演对称”和“空间反转对称”操作就差不多了,就可以对很多铁性问题有一定的理解。这一偷懒的做法,在短期内颇为有效。但当 2000 年前后,当我们介入磁致铁电物理时,这些偷懒的手法就有些山穷水尽。如果我们回过头来,检讨一二,并瞭望那些它山之玉,就有了一些教训可以分享。
最初,如果从对称性角度去看,铁磁和铁电是没有关系的。量子材料中做磁性和铁电物理的两拨人,各行其道、互不干扰。倒是因为朗道们将描述它们的两套唯象理论弄得很相似,所以铁电人经常去学习磁学的一些唯象物理和方法。但本质上,铁电人很少讨论“时间反演对称破缺”。到了多铁性,磁电耦合要求我们关注“时间反演对称”和“空间反转对称”同时破缺,并关注它们的相互关联,我们才不得不回头反省:原来各自安于“时间反演对称破缺”和“空间反转对称破缺”的做派已经不行了。
有如下几点感触:
(1) 到目前为止,虽经诸多努力,磁性的微观起源与静态电偶极子 (铁电) 还是扯不上,只好暂时搁下,看看以后有没有什么神思妙想。反过来,单纯的铁磁和共线反铁磁,的确是“时间反演对称破缺”的,但从对称性上怎么也跟“空间反转对称破缺”联系不上。当时的状况,难住了朗道学派的一批物理强人。历经半个世纪的摸索,才促使非共线的反铁磁序,如螺旋序、涡旋序,走到前台。由此,描述此类非共线涡旋、螺旋之类的“手性对称及其破缺”的物理,就走入我们的视野。
(2) 虽然 Ising 并非其中一员,但磁学和自旋电子学的发展脉络有类似的推演,并且比多铁性更早。所谓自旋矩、涡旋、SOC、界面磁性等,及至今天正在勃勃兴起的反铁磁、磁能谷、轨道电子学、畴壁电子学等新分支出现,都跟非共线自旋序有关。至此,凝聚态中,“手性 (chirality)”的概念开始变得重要起来。当然,我们也可以提一提当年的法拉第效应,因为那是磁手性的第一个重大物理效应吧?!
(3) 从涡旋 - 反涡旋的 KT 相变,再到当下的拓扑磁性物理,包括反常量子霍尔、自旋霍尔、斯格明子这些效应,手性的概念变成了“对称性物理”的新核心之一。
这个粗暴的感慨一抒,我们的视野一下子就开阔起来。凝聚态和量子材料人对手性对称问题的重视度正在提高,产生了很多新的结果。《npj QM》较少刊登短评和展望文章,但最近刊登了一篇有关“磁手性”的展望文章 (perspective)。主要作者,乃刊物两位主编之一的 Sang - Wook Cheong。他供职于美国 Rutgers University,担纲校董杰出物理教授。Sang 算得上是凝聚态物理领域的名家之一,对磁性、铁电和多铁性物理颇有贡献,特别熟悉对称性物理。这,使得他和他的合作者能够流连于领域内外,去审视不同量子材料效应中那些对称性问题及其伴生的效应,从而写就了这篇《Magnetic chirality》的文章。
所谓磁手性,Sang 们用“镜面对称破缺 + 时间反演对称破缺”的复合语意来定义。这种定义,使得对称性表述变得复杂,但好处在于表观地引入了多个基本的对称性操作元素:镜面对称、时间反演,等等。多个对称操作元素,就有多个维度,也方便提醒我们可以将它们任意组合、从而囊括更多物理效应进来。
The arrows represent the electron spins pointing up from a kagome lattice. The chirality is represented by the counterclockwise circle of fire. The bulk of the magnet contains Dirac fermions with a gap, making it topological.
这里,特别感谢原图作者!Credit: Image by M. Zahid Hasan group, Princeton University. https://scitechdaily.com/scientists-discover-a-topological-magnet-that-exhibits-exotic-quantum-effects/
由此,他们进行了一些初步的列举,一不小心就列举了 18 种。为了读者准确理解,Ising 不打算弄巧成拙翻译它们成中文,姑且原文照抄:
(1) Linearly polarized light.
(2) The topological surface state of topological insulator.
(3) Cycloidal spins, Neel - type ferromagnetic walls.
(4) Helical spins, Bloch - type ferromagnetic walls.
(5) Magnetic toroidal moment or magnetic vortex.
(6) Type - I magnetic quadrupole or magnetic antivortex.
(7) Magnetic toroidal moment or magnetic vortex with alternating canted moments.
(8) Magnetic toroidal moment or magnetic vortex with a canted moment.
(9) Type - I magnetic quadrupole with alternating canted moments.
(10) Type - I magnetic quadrupole with a canted moment.
(11) Type - II magnetic quadrupole with alternating canted moments.
(12) Type - II magnetic quadrupole with a canted moment.
(13) Bloch - type skyrmion.
(14) Anti - skyrmion.
(15) Magnetic monopole.
(16) Magnetic monopole with alternating canted moments.
(17) Magnetic monopole with a canted moment
(18) Neel - type skyrmion.
这些列举,引导我们去联想很多我们熟悉、较熟悉的物理效应,去惊叹它们原来都是“镜面对称破缺 + 时间反演对称破缺”的表现?这应该就是“对称性及其破缺”概念的魔力,惟物理独有,非物理不可以显摆!
这里的列举,应该不是穷举,但至少展示了“磁手性 (magnetic chirality)”作为对称性概念的重要意义。由此,我们可以展开整个量子物理的画卷,看看各自有哪些量子材料归属各类手性,看看它们可能引发的 emergent phenomena。实话说,不读此文,Ising 还真的没有想象到“磁手性”原来可以引发出这么多效应。
Sang 他们自己大概也不是为了穷举、或者不能做到穷举。他们只是基于自己的专业知识和涉足的领域,做一些点评和展望。下图所示,是其中四类新效应 (有些已经有了初步实验验证,其余的都值得实验物理人去探索一二):
(a) Magnetic monopoles combined with polarization and toroidal moment, result in magnetization.
(b) Helical spin order in the xy-plane under strain gradient along z-axis, results in spiral magnetic superstructure.
(c) Novel magnetoelectric effects.
(d) Topological anomalous Hall effect in conducting specimens.
当然,Ising 不好再继续越俎代庖,否则就将 Sang 们的展望给翻译完啦。事实上,这样的物理,是难以穷尽的。也因此,量子材料人,可以在其中长久地“让我们荡起双桨”!
雷打不动的结尾:Ising 是外行,如若理解错了,敬请谅解。各位有兴趣,请前往御览原文。原文链接信息如下:
Magnetic chirality
Sang-Wook Cheong & Xianghan Xu
npj Quantum Materials volume 7, Article number: 40 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41535-022-00447-5
七律·一沙一物理
君怀天地取繁花,我借宏微煮早茶
君赞春秋千色好,我扬格物九维嘉
君穷步履赊沧海,我尽关联画碧沙
君砚青山明月落,我书经典晚阳斜
这浪花是左手性还是右手性?
备注:
(1) 编者 Ising,任职南京大学物理学院,兼职《npj Quantum Materials》编辑。
(2) 文底图片展示了夏日的壶口瀑布中卷曲的河水:那浪卷是呈现 left - chirality or right - chirality? (20190809)。小诗则韵叹了量子材料人追逐的物理世界 (20190828)。
(3) 封面图片乃来自美国 Boston College 的新闻网站,特此致谢!网站介绍:The Weyl semimetal Tantalum Arsenide has a colossal bulk photovoltaic effect - an intrinsic, or nonlinear, generation of current from light more than ten times larger than ever previously achieved,来自 https://www.bc.edu/bc-web/bcnews/science-tech-and-health/physics/chirality-yields-colossal-photocurrent.html。
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