磁场诱导的多费米子BiFeO$_3$ 二阶非线性光学响应

非中心对称非磁性材料的非线性光学（NLO）响应在过去数十年间因其在材料表征、绿色能源和器件应用方面的意义而引起广泛关注。然而，磁场诱导的 NLO 响应迄今鲜有研究。本文首先将 Rashkeev 等人[Phys. Rev. B $\textbf{57}$, 3905 (1998)] 用于非磁性材料二次谐波发生（SHG）的数值计算友好公式推广至包含磁性系统的情形，然后计算了BiFeO$_3$——这一一种在室温下表现出铁电性和反磁性（AFM）有序性，并具有位于可见频率区的能隙的多费米子材料——的磁场诱导 NLO 响应。首先，我们发现计算得到的磁场诱导 SHG 介数较大，且 SHG 强度可通过磁化方向的反转进行调节。特别地，我们发现在 SHG 光子能量为 4.82 eV 时，SHG 信号具有约 440% 的强磁对比度，从而实现了对BiFeO$_3$ 中 SHG 的磁控。此外，由于 SHG 信号对 N\'eel 矢量方向的敏感性，SHG 可用于检测 AFM 材料中 N\'eel 矢量的反转，这是 AFM 自旋电子学中的重要议题。其次，计算得到的 BPVE 在BiFeO$_3$ 中也较大，超过了BaTiO$_3$、GaAs、CdS 和 CdSe 等一些著名 NLO 化合物。最后，我们以计算的量子几何量为基础，对 NLO 响应光谱中显著特征的起源进行分析。我们的有趣发现表明，BiFeO$_3$ 中的磁场驱动型 NLO 响应在显著性、各向异性和可调性方面都具有重要意义，理解 SHG 和 BPVE 的磁场驱动成分对于其在例如多费米子基光伏器件等应用中至关重要。