在凝聚態物理中，手性玻色子系統（如具有手性的聲子）一直備受關注。手性聲子因原子在垂直傳播方向的旋轉運動而產生，攜帶著非零角動量和磁矩，在愛因斯坦-德哈斯效應、聲子霍爾效應以及反常熱霍爾效應等諸多現象中發揮關鍵作用，可作為能量和信息的載體。同時，在磁性材料中，原子的圓周運動與電子自旋的強耦合也為操控磁性提供了新途徑。此前，盡管已有理論研究預測在具有自發時間反演對稱性破缺的中心對稱晶格系統中，聲子能通過與電子拓撲耦合而出現圓偏振（Phys. Rev. Lett. 127, 186403 (2021)、Phys. Rev. B 105, 064303 (2022)），但一直缺乏相關實驗驗證。

近日，由東南大學物理學院施智祥課題組楊潤副教授、斯圖加特大學Martin Dressel教授課題組、中國科學院物理研究所邱祥岡課題組、中國科學院理論物理研究所張田田副研究員組成的研究團隊在《Physical Review Letters》雜志發表了一篇題為“Inherent Circular Dichroism of Phonons in Magnetic Weyl Semimetal Co3Sn2S2”的研究論文（DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.196905），報道了在磁性外爾半金屬Co3Sn2S2中，通過紅外光譜學實驗觀測到無外場下聲子呈現圓偏振現象。

圖1：(a) 磁性外爾半金屬Co3Sn2S2的晶格結構和其中紅外活性的Eu模式振動。(b)Co3Sn2S2中的拓撲能帶。(c)電聲子耦合示意圖。

圖2：Co3Sn2S2中紅外活性的Eu模式聲子，在兩個圓偏振通道中不同程度的電聲子耦合導致了聲子的圓二色性。(a) 極性Kerr旋轉測量的示意圖，其中光與磁矩平行但垂直于樣品表面。(b) 在10 K溫度下測量的低于0.8 eV的Kerr旋轉角光譜。插圖顯示了在不同溫度T下測量的聲子B、C和D的Kerr旋轉光譜，其中電子背景被減去。(c) Co3Sn2S2在10 K下的圓偏振光學電導率σ±⊥(ω)。四個紅外活性聲子用大寫字母標記。虛線表示非偏振光學電導率σxx1(ω) = 1/2[σ+⊥(ω) + σ−⊥(ω)]。(d) 每種圓偏振下的EPC示意圖，其中構成Weyl節點環的能帶具有不同的角動量+3/2（橙色）和+1/2（藍色），分別表示。實線和虛線表示聲子和電子的直接帶間躍遷。(e)–(g) 在10 K下每種圓偏振下聲子B、C和D的線形。黑色實線是Fano模型的擬合。

研究團隊聚焦于磁性外爾半金屬Co3Sn2S2，其具有中心對稱晶格結構。在居里溫度（TC≈175 K）以下，Co3Sn2S2具有傾斜的外爾節線環。研究人員采用反射率和極化克爾旋轉光譜學等方法，對樣品的光學性質進行了詳細測量和分析。在Co3Sn2S2的光電導中，研究人員發現低于居里溫度時，原本對稱的聲子吸收峰展現出不對稱的Fano線形。這表明聲子與電荷激發之間存在強耦合。根據能量尺度，這種耦合源于紅外Eu模式聲子與Weyl節線環上電子激發的干涉效應。在極化克爾旋轉光譜中，除了電子響應信號外，研究團隊還觀測到聲子的信號。在右旋和左旋圓偏振的光電導中，聲子的吸收峰存在明顯差異，證明了聲子在兩種圓偏振通道中的耦合強度不同。在兩種圓偏振通道中，不同程度的電聲子耦合打破了聲子場的時間反演對稱性，導致聲子峰位的分裂。由于磁交換作用使拓撲能帶逐漸移動，聲子的圓二色性還表現出顯著的溫度依賴性。

該研究在磁性拓撲材料中提供了無磁場下聲子圓偏振的實驗證據，證實了即使在中心對稱系統中，聲子也能通過與拓撲能帶間電子的激發的耦合實現圓偏振。這一發現不僅加深了人們對聲子物理性質的認識，還為未來通過溫度、摻雜、門電壓和外磁場等多種手段操控聲子極化和手性開辟了新途徑。

這項工作得到了國家重點研發計劃（No. 2024YFA1408400、No. 2023YFA1407400、No. 2024YFA1400036）、自然科學基金（No. 12474152、No. 12374165、No. 12047503）、東南大學優勢理科學科交叉平臺、教育部量子材料與信息器件重點實驗室開放基金、德國科學基金會以及洪堡學者博士后基金的資助與支持，體現了國際合作在前沿物理研究中的重要作用。

此外，近期清華大學楊魯懿教授團隊通過拉曼散射方法也在Co3Sn2S2中發現了聲子的圓二色性（Phys. Rev. Lett. 134, 196906 (2025)），進一步印證了該現象的存在。