图1：(a) 中子散射探测线/圆偏振声子示意图。(b)和(c) (1, 0, L)以及(2, 0, L)方向在6 K及100 K下的声子谱。(d)不同磁序下声子磁矩与自旋矩耦合的示意图。(e)和(f)鞍点附近，FZMO与FMO中沿着(1,0, L)以及(2, 0, L)方向的动量切线对比。
近日，南京大学物理学院温锦生教授课题组在声子磁性研究领域取得重要进展。研究团队利用中子谱学技术，对具有强磁振子-声子耦合的亚铁磁材料Fe1.75Zn0.25Mo3O8开展了系统研究，首次直接观测到手性声子的磁散射谱学特征。该研究不仅揭示了手性声子与材料磁序、磁激发之间的密切关联，也彰显了中子散射技术在探测手性声子方面的独特优势。相关成果以“Magnetic Signatureof Chiral Phonons Revealed by Neutron Spectroscopy in Ferrimagnetic Fe1.75Zn0.25Mo3O8”为题，于2026年3月2日发表在《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 136, 096502 (2026)]，被选为编辑推荐文章，同时被《Physics》杂志专题报道。
手性声子指的是具有圆偏振离子运动模式的晶格振动，其原子振动携带非零角动量与相应的声子磁矩。近年来，手性声子因其可能关联于声子磁性、声子霍尔效应等新奇物性，在凝聚态物理领域受到广泛关注。然而，由于离子质量远大于电子，其回旋运动所产生的轨道磁矩通常极为微弱，这使得手性声子的直接实验探测一直面临显著挑战——尤其是对于具备全动量-能量分辨和覆盖能力的非弹性中子散射等测量手段【如图1(a)所示】而言。因此，以往对手性声子的研究多依赖于光学方法，这类手段的动量覆盖范围受限，主要探测布里渊区中心附近动量趋近于零的声子模，难以获取其在完整能量-动量空间中的信息。
在本工作中，研究团队选择Fe1.75Zn0.25Mo3O8（FZMO）作为研究对象。团队成员及合作者此前的研究表明 [Nat. Commun.14,6093 (2023); Nat. Phys. 19, 1868 (2023); Phys. Rev. Lett. 134, 236701(2025)]，该材料体系具有强磁振子-声子耦合，产生的声子磁矩显著，甚至可与电子自旋和轨道磁矩量级相当。这些特性使FZMO成为利用中子散射直接观测手性声子的理想平台。团队生长了高质量大尺寸单晶，并通过非弹性中子散射系统揭示了体系中手性声子的磁散射特征，包括：
（1）低温声子磁散射增强：在6 K低温下，声子激发在小动量与大动量位置均清晰可辨。而当温度升至磁转变温度以上的100 K时，大动量位置的激发模式仍然清晰可见，表明激发的声子属性【图1(b)和(c)】；但是，低动量信号基本消失，表明低温时低动量的信号主要来自于磁散射；
（2）面外声子谱权重受磁序调制：FZMO中5.5 meV附近的光学声子模式，对应于其反铁磁母体 Fe2Mo3O8（FMO）中一对原本简并的手性声子。在亚铁磁FZMO中，该模式的谱权重主要出现在面外波矢L为偶数的位置，而在反铁磁FMO中则出现在L为奇数的位置【图1(e)和(f)】。这种谱权重反转表明声子磁矩与层间净自旋矩之间存在耦合【图1(d)】。磁序变化导致不同动量位置的干涉效应发生反转，从而直接调控了声子谱权重的动量分布。
（3）亚铁磁序诱导的本征劈裂及磁场响应：在低温亚铁磁状态下，原本简并的声子模式出现显著劈裂【图2(a)和(b)】，高场下两支声子表现出相反的磁场响应，表明它们具有相反的角动量和声子磁矩。该劈裂仅在亚铁磁态下出现，在高温顺磁态及反铁磁态中均消失【图2(c)-(f)】，说明其来源于亚铁磁导致的时间反演对称性破缺。
图2：(a) 亚铁磁FZMO在6 K下的局部声子谱。(b)和(c) 6 K及100 K下布里渊区中心处的能量扫描。(d)-(f) 和(a)-(c)类似，但对应反铁磁母体FMO的实验结果。
这项工作首次利用中子谱学在全动量-能量空间直接观测到手性声子的色散，揭示了低温磁序下由手性声子产生的、与核散射不同的磁散射特征，加深了对于手性声子的认识，开辟了利用中子散射研究手性声子的新路径。中国科学院物理研究所研究员万源在《Physics》杂志以《中子揭示手性声子的磁性舞动》为题撰文评述该工作：“通过在磁性晶体中揭示这种精心编排的舞蹈（即手性声子的动力学行为），他们为检验理论模型和发展实际应用打开了大门”。
南京大学物理学院温锦生课题组助理教授鲍嵩、博士后廖俊波以及已毕业博士生黄振涛（现为中国散射中子源博士后）为论文共同第一作者，鲍嵩和温锦生教授为通讯作者。中子散射实验在日本质子加速器研究中心的4SEASONS谱仪和瑞士保罗谢勒研究所的EIGER谱仪上完成。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金、江苏省卓越博士后计划、小米青年学者-科技创新奖以及中央高校基本科研业务费等基金计划的支持，并依托南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心以及江苏省物理科学研究中心等平台完成。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/pq5m-32wj
