声子是与声音或晶格振动相关的准粒子，可以携带动量和角动量。然而，这些准粒子通常被认为具有可忽略不计的磁矩。

南京大学和中国科学院的研究人员最近开展了一项实验，研究了极性反铁磁体Fe2Mo3O8的声子磁矩。他们的研究发表在《自然物理学》上，发现Fe2Mo3O8中的自旋涨落增强了巨大的声子磁矩。

“最近在非磁性拓扑系统中发现的大声子磁矩(PMM)激发了我们思考自旋有序系统中声子的磁性，”进行这项研究的研究人员之一张奇告诉《Phys》杂志.org。

“乍一看，各种类型的自旋晶格相互作用应该支持磁性材料中的大PMM，然而，在这项工作之前尚未确定。多体关联和波动在PMM形成中的作用尚不清楚。”

张和他的同事最近工作的主要目标是更好地理解声子和磁性之间的相互作用。为此，他们对反铁磁体Fe2Mo3O8进行了一系列实验。

张解释道：“声子的大磁矩提供了晶格振动和各种磁过程之间的直接联系，这为磁动力学的声子控制以及基于PMM的新型自旋信息器件提供了新的机会。”“在材料体系的选择方面，我们重点关注Ⅰ型多铁性Fe2Mo3O8，它表现出非常大的热霍尔系数，表明自旋晶格耦合很强。”

a，基于第一性原理计算的P1声子原子位移示意图。b、20K下的拉曼光谱显示P1声子的塞曼分裂，对应的磁矩为0.11μB。c，临界温度(60K)附近的波动增强型PMM。图片来源：Wu等人。

在他们的实验中，张和他们的同事使用了两种关键技术，即磁拉曼光谱和非弹性中子散射。这些技术使他们能够揭示Fe2Mo3O8单晶中42cm-1(5.3meV)处一对低位激发的声子性质。

“然后，我们通过声子塞曼效应获得了这些模式的声子磁矩(PMM)，即通过测量磁场下偏振分辨拉曼光谱中声子频移的斜率，”张说。“在反铁磁相和顺磁相之间的边界附近发现了不寻常的PMM增强。”

这项最新的实验研究是中国科学院万媛教授团队和南京大学温金生教授实验室的联合研究成果。万教授的团队进行了对称性分析，以勾勒出一个最小模型，该模型捕获了支撑实验的基本物理原理，而文教授则合成了样本并收集了中子测量结果。

“这篇论文最引人注目的发现是PMM在磁转变附近增强了600%的亚铁磁波动，”张说。“原则上，这种波动增强可以提供超越电子或磁振子模式(2玻尔磁子)磁矩的PMM，甚至可以随磁化率发散。”

研究人员最终检测到样品中的声子磁矩增强了六倍。未来，他们的工作和总结他们观察结果的理论微观模型可能为关于磁性和声子之间相互作用的新有趣发现铺平道路。

“一方面，我们现在计划将这项工作扩展到非平衡态，例如，我们对手性声子驱动的磁动力学甚至瞬态铁磁性感兴趣，”张补充道。“另一方面，对于具有大磁矩的声子，我们计划探索它在热传输过程中的行为，以及自旋霍尔效应的声子版本是否可以在该系统中发生。”

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