近日，山西大學(xué)激光光譜研究所張磊教授和理論物理研究所陳君教授聯(lián)合深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院王健講席教授課題組，在磁性量子材料光電流散粒噪聲理論方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)建立了光致直流散粒噪聲(DC shot noise，簡(jiǎn)稱DSN)的統(tǒng)一理論框架，首次揭示了兩類僅在PT對(duì)稱性破缺時(shí)出現(xiàn)的“磁性DSN”物理量。該方法可在無需電極接入、無凈光電流的條件下，通過DSN探測(cè)材料的量子幾何、磁相(鐵磁/反鐵磁)、層數(shù)奇偶與自旋紋理等特性。相關(guān)研究成果以《Shot Noise of Photocurrents in Magnetic Quantum Materials》為題，發(fā)表于國際物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》[Physical Review Letters, 135, 166702 (2025)]。張磊教授、陳君教授、王健教授為通訊作者，山西大學(xué)博士生劉欣月與深大助理教授向龍俊為共同第一作者，山西大學(xué)博士后楊雅卿、深大許富明教授參與了該工作。

體光伏效應(yīng)在光電器件設(shè)計(jì)和太陽能轉(zhuǎn)換方面具有重要作用。體光伏效應(yīng)起源于位移光電流和注入光電流等內(nèi)稟二階非線性光電流響應(yīng)。最新研究表明，這些二階非線性光電流還可用于探測(cè)量子材料中的量子幾何和拓?fù)湫再|(zhì)。但二階非線性光電流只能存在于中心反演對(duì)稱破缺的量子材料中。在保持空間反演對(duì)稱的材料中,這類二階電流會(huì)被完全禁止,傳統(tǒng)電流探測(cè)由此失效。事實(shí)上，光電流的量子漲落也攜帶了重要信息，明確量子噪聲與對(duì)稱性、幾何之間的關(guān)系，有望在無凈電流的極限下，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性材料量子幾何特性的非侵入式探測(cè)。

光致直流散粒噪聲的物理圖像：在保持空間反演對(duì)稱（P）和時(shí)間反演破缺（T）的磁性體系中，二階光電流被禁止，但 DSN 仍然存在

研究團(tuán)隊(duì)建立了光致直流散粒噪聲的量子非線性響應(yīng)理論，系統(tǒng)給出了DSN與PT對(duì)稱性以及光偏振態(tài)的依賴關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，首次揭示了兩類僅在PT破缺時(shí)出現(xiàn)的散粒噪聲信號(hào)——磁性位移DSN與磁性注入DSN。這些噪聲繼承了布洛赫態(tài)的量子幾何信息，可作為分辨對(duì)稱性的“噪聲指紋”。進(jìn)一步的模型與第一性原理計(jì)算顯示：在交替磁體中，磁性DSN隨自旋取向呈周期變化，可用于交替磁體自旋紋理的分辨；在雙層CrI3中，鐵磁相出現(xiàn)很強(qiáng)的磁性DSN特征峰，而反鐵磁相因PT對(duì)稱使DSN完全禁止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁相的清晰區(qū)分。這確立了DSN作為探測(cè)磁性量子材料中對(duì)稱性、量子幾何和自旋紋理等特性的強(qiáng)大工具。

該工作得到國家自然科學(xué)基金、山西省“1331”工程、山西省回國留學(xué)人員科研項(xiàng)目、光量子技術(shù)與器件全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、省部共建極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

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