观测到2D MnBi$_2$Te$_4$中的阿克森准粒子
介观与纳米尺度物理
2025-04-18 v1 材料科学
摘要
1978年，Wilczek 和 Weinberg 理论上发现了一种新型玻色子——阿克森粒子 (Axion)，它是 场在强相互作用规范色力学 (QCD) 中一致振荡所致。其存在可以解决多个根本性问题，包括 QCD 的强 CP 问题以及暗物质问题。然而，其检测困难，因为其几乎不与现有粒子发生相互作用。类似的 被引入凝聚态物理领域，迄今仅作为离散、量化值被用于表征材料的拓扑性质。然而，凝聚态中 的一致振荡被提议可导致与高能阿克森粒子直接类比的新物理——动力学阿克森准粒子 (dynamical Axion quasiparticle, DAQ)。本文报告了 DAQ 的直接观测。通过将2维电子器件与超快泵浆探测光学技术相结合，我们实现了对2D MnBiTe 中磁电耦合参数 () 的亚皮秒时间分辨率测量。这使我们能够直接观测到 DAQ，即在实时中观察到约44 GHz 的 振荡，而这一现象是由相位差的反亚磁性磁子所致。有趣的是，在2D MnBiTe 中，DAQ 源于由磁子诱导的Berry曲率的一致调制。这种对量子波函数的超快控制可推广到操控其他材料的Berry曲率和量子度量，以更快的时 scale 进行。此外，DAQ 使得新的量子物理成为可能，例如阿克森极化子和对超快自旋极化的电控制，暗示其在非常规光-物质相互作用和一致反亚磁性自旋器件方面的应用。超出凝聚态物理领域，DAQ 可作为暗物质阿克森粒子的探测器。我们估算了在关键缺乏 meV 能级范围内的探测频率范围和灵敏度，为 fundamental physics 中最具挑战性问题之一做出了贡献。
引用
@article{arxiv.2504.12572,
title = {Observation of the Axion quasiparticle in 2D MnBi$_2$Te$_4$},
author = {Jian-Xiang Qiu and Barun Ghosh and Jan Schütte-Engel and Tiema Qian and Michael Smith and Yueh-Ting Yao and Junyeong Ahn and Yu-Fei Liu and Anyuan Gao and Christian Tzschaschel and Houchen Li and Ioannis Petrides and Damien Bérubé and Thao Dinh and Tianye Huang and Olivia Liebman and Emily M. Been and Joanna M. Blawat and Kenji Watanabe and Takashi Taniguchi and Kin Chung Fong and Hsin Lin and Peter P. Orth and Prineha Narang and Claudia Felser and Tay-Rong Chang and Ross McDonald and Robert J. McQueeney and Arun Bansil and Ivar Martin and Ni Ni and Qiong Ma and David J. E. Marsh and Ashvin Vishwanath and Su-Yang Xu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2504.12572},
year = {2025}
}