铁电BaTiO3中g-wave声子手性的电场切换

《Nature Materials》：Electric-field switching of g-wave phonon chirality in ferroelectric BaTiO3

　　

携带角动量的晶格振动，称为手性声子（chiral phonons），为耦合晶格、电子和磁自由度提供了一条途径，但其确定性控制仍然难以实现。研究人员在具有技术相关性的铁电BaTiO₃中演示了声子角动量（phonon angular momentum, PAM）的可逆电场切换。利用圆二色共振非弹性X射线散射（circularly dichroic resonant inelastic X-ray scattering, CD-RIXS），研究人员通过圆偏振X射线与晶格之间的角动量转移直接分辨声子手性。研究人员观察到依赖于动量的二色响应，该响应随铁电极化而切换，从而建立了一种稳健且非易失的旋电效应（gyroelectric effect）。测量的二色性与第一性原理计算定量一致。这些成果确立了声子角动量作为一种可电控自由度，并为基于声子的信息与能源技术提供了路径。

铁电BaTiO₃中g-wave声子手性的电场切换：论文解读

手性（chirality）概念自提出以来，已成为凝聚态物理中对称性破缺研究的核心。根据居里原理，不对称性产生现象。手性声子（chiral phonons）是原子运动破坏非真旋转对称性的振动模式，携带角动量，能够介导晶格、电子与磁自由度之间的角动量转移，衍生出非互易声子输运、声子热霍尔效应、声子磁矩等现象。然而，尽管手性声子的存在已被证实，如何对外场实现其确定性、可逆控制仍是未解难题。铁电钛酸钡（BaTiO₃, BTO）在室温四方相具有可切换的自发极化，其C_4v点群对称性允许在倒空间一般点出现非简并手性声子，因而成为探索电场控制声子角动量（phonon angular momentum, PAM）的理想平台。研究人员利用自由站立（free-standing, FS）BTO外延薄膜，结合圆二色共振非弹性X射线散射（circularly dichroic resonant inelastic X-ray scattering, CD-RIXS），在实验上实现了电场对PAM的可逆、非易失切换，并建立了旋电效应（gyroelectric effect）。该工作发表在《Nature Materials》上。

主要关键技术方法包括：通过脉冲激光沉积在SrTiO₃衬底上生长BTO/La_1?xSr_xMnO₃异质结，用稀盐酸选择性腐蚀La_1?xSr_xMnO₃牺牲层，获得厚度约80 nm的FS BTO薄膜；利用光刻与热蒸发制备Au/Cr底电极和拼图状Au/Cr顶电极，构建可供X射线透射的电场切换器件；使用压电力显微镜确认铁电性与开关行为；在ESRF ID32束线RIXS端站，于O K边（531.25 eV）进行CD-RIXS测量，采用正入射几何规避双折射伪信号；结合密度泛函微扰理论（density functional perturbation theory, DFPT）计算四方BTO的声子色散、模式有效电荷及手性投影参数。

BTO membranes（BTO薄膜）
研究人员发展了FS BTO膜的制备与器件集成工艺。X射线衍射和能量色散谱证实牺牲层被完全去除，膜保持外延结晶质量。压电力显微镜显示，3 V电压即可完全翻转并近饱和极化；在1 kHz电压循环下，超过3.5 V会导致信号退化，因此所有RIXS测量均在稳定电压区间内进行。

Evidence of chiral phonons in ferroelectric BTO（铁电BTO中手性声子的证据）
在倒空间一般点q=[?0.12, 0.20, 0.42] ?^?1处，研究人员用C+与C?圆偏振X射线记录RIXS谱，观察到约5%的圆二色（circular dichroism, CD）对比度。由于BTO非磁性且各向同性电荷散射不产生CD，该对比度归因于O 2p电四极矩激发与手性声子之间的角动量转移。CD对比度正比于声子本征模的圆运动，反转电极化方向会使氧原子受力反向，从而反转声子角动量投影。

Reversible switching of chiral phonons（手性声子的可逆切换）
研究人员通过施加±3.5 V写入电压翻转铁电极化，并在测量期间用±0.2 V保持电压维持单畴状态。当极化反转时，CD信号随之反转；当X射线圆偏振从C+切换到C?时，切换方向也反向，表明观察到的CD确实来源于声子子系统。高分辨RIXS（能量分辨率15 meV）结合DFPT计算的模式有效电荷，识别出主要贡献来自约20、40和100 meV的声子模式，对应计算得到的11、38和100 meV手性声子。这些区域的CD对比度随极化与偏振方向同步切换，直接证明PAM受到电场控制。

q依赖性与g-wave对称性
研究人员旋转样品改变方位角φ，在多个动量转移方向测量CD对比度，发现其遵循BTO的C_4v点群所决定的g-wave对称性：当q从q2反转到q4时，对比度数值相近但符号相反。DFT计算的手性投影参数J?e_q在φ方向上的变化与实验CD积分对比度在误差范围内一致。此外，CD对比度在q1附近最强，此时动量转移几乎平行于声子角动量。这些结果表明，PAM来源于位移型铁电相的反演对称性破缺，并遵循晶体对称性。

讨论与结论
研究人员将电场控制PAM的现象类比为旋电效应：在铁电材料中，旋光张量γ_ijv正比于自发极化P_s，因此施加电场可反转光学旋转符号。本工作在倒空间中观测到类似的旋电行为，并进一步将微观起源归于手性声子模式的轨道矩。由于非简并手性声子只能由反演对称性破缺产生，所有具有有限手性的声子模式原则上都应随极化切换。该成果确立PAM作为可电控自由度，为声子学提供了角动量维度的调控手段。研究人员还讨论了超快拓展方向：太赫兹脉冲相干驱动声子模式、非线性声子耦合以及“多铁子”（multiferrons）产生的偏置可能瞬态重塑双阱势垒，从而将静电场控制推广到超快时间尺度，并可与相邻磁层耦合，构建声子-磁振子混合平台，用于神经形态计算等信息处理技术。