晶体中电磁学与手性的标准模型

我们提出了晶体固体中电磁学和手性的一般、系统理论。对称性是其基本指导原则，使我们能够在无需参考任何特定微观构型的情况下考虑宏观多极矩密度。我们利用空间反演$i$和时间反演$\theta$之间的形式类比，基于五类电极化和多极序（称为极化）以及五类手性，识别出两种互补、全面的晶体分类。五类极化（顺电极化、电极化、磁极化、反磁极化和多极化）体现了电磁多极序在固体中实现的方式，从而将铁电体中熟悉的电极化和铁磁体中的磁化概念扩展到高阶多极矩密度。五类手性（顺手性、电手性、磁手性、反磁手性和多手性）将对映形态的概念（通常与缺乏空间镜面对称性相关）扩展到包括通过应用反演$i$、$\theta$和$i\theta$创建不可叠加图像的所有可能性。特别地，多手性系统缺乏所有反演对称性，因此具有四种不同的对映体。每一类手性都源于电极化和磁多极矩密度的特定叠加。极化类别和手性类别共同将所有122个磁点群分类为12种类型，这些类型表现出不同的物理性质，并且可以通过我们详细阐明的电子能带结构中的特征来识别。该分类使$i$、$\theta$和$i\theta$的形式等价性明确，并揭示了看似不同的系统及其物理性质之间的显著对应关系。