新型拓扑磁光材料研究进展

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0122

摘要/Abstract

摘要： 磁光晶体能保证激光单向传输，广泛应用于非互易光学器件、光隔离器、光开关等器件，在光通信、高功率激光等领域发挥着不可替代作用。目前，以TGG、CeF₃、YIG等为代表的传统磁光材料，在紫外、可见光至近红外波段已得到广泛应用。然而，对于日益增长的中红外甚至太赫兹波段的潜在应用需求，目前缺乏综合性能优异的磁光材料。近年来，六方非共线反铁磁Mn₃Sn具有独特kagome晶格和拓扑能带结构，被Nature等期刊连续报道。Mn₃Sn具有极小的净磁矩，能够产生巨大的磁光克尔效应与反常霍尔效应，在中红外、太赫兹波段等具有应用前景。本文系统梳理了以Mn₃Sn晶体为代表的新型拓扑磁光材料的最新研究进展，包括磁光性能、相关调控机理与晶体生长等，为新型磁光材料设计提供有价值的参考。

关键词: 磁光材料; 拓扑能带结构; 中红外波段; Mn₃Sn; 非共线反铁磁

Abstract: Magneto-optical crystals enable unidirectional laser transmission and are widely used in nonreciprocal optical devices， including optical isolators， optical switches， playing an irreplaceable role in optical communications and high-power lasers. At present， conventional magneto-optical materials such as TGG， CeF₃， and YIG have been extensively applied in the ultraviolet， visible， and near-infrared spectral ranges. However， rather limited types of magneto-optical materials fulfill the increasing potential demands for the mid-infrared and even Terahertz ranges. Recently， hexagonal non-collinear antiferromagnets Mn₃Sn， featuring unique kagome structure and topological band， have been continuously reported in journals such as Nature. Despite its extremely small net magnetic moments， Mn₃Sn exhibits giant magneto-optical Kerr effects and anomalous Hall effects， showing great potential for mid-infrared and terahertz applications. This paper systematically reviews the recent research progress on Mn₃Sn crystals， including their magneto-optical properties， relevant modulation mechanisms， and crystal growth， aiming to provide valuable references for the design of novel magneto-optical materials.

Key words: magneto-optical material; topological band structure; mid-infrared waveband; Mn₃Sn; non-collinear antiferromagnet

中图分类号:

O734

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图/表 11

图1 传统磁光隔离器原理［22］

Fig.1 Principle of the conventional magneto-optic isolator［22］

图2 Mn3Sn晶格、磁矩和磁相变示意图［30，34］。（a）Mn3Sn晶体结构；（b）Mn3Sn磁结构；（c）自旋结构随温度转变示意图

Fig.2 Schematic diagram of the crystal lattice， magnetic moments， and magnetic phase transition of Mn3Sn［30，34］. （a） Crystal structure of Mn3Sn；（b） magnetic structure of Mn3Sn；（c） schematic diagram of the spin structure evolution with temperature

图3 非共线反铁磁Mn3Sn中的磁光克尔旋转角（300 K）［36］。（a）（21ˉ1ˉ0）晶面极向磁光克尔转角θK随外场的变化曲线（磁场平行晶面（21ˉ1ˉ0））；（b）在φ=0°~90°测得的（21ˉ1ˉ0）晶面纵向磁光克尔转角θK；（c）极向、纵向两种磁光克尔效应（MOKE）测试光路结构示意图；（d）零磁场条件下，（21ˉ1ˉ0）晶面在400~1 100 nm波段的极向磁光克尔光谱

Fig.3 Magneto-optic Kerr rotation angle in noncollinear antiferromagnetic Mn3Sn at 300 K［36］. （a） Polar magneto-optic Kerr rotation θK as a function of external magnetic field for the （21ˉ1ˉ0） crystal plane with the field parallel to the plane；（b） longitudinal magneto-optic Kerr rotation θK measured for the （21ˉ1ˉ0） plane in the angular range from 0° to 90°；（c） schematic diagram of the optical path configuration for polar and longitudinal magneto-optic Kerr effect （MOKE） measurements；（d） polar magneto-optic Kerr spectrum of the （21ˉ1ˉ0） plane in the wavelength range from 400 nm to 1 100 nm under zero magnetic field

图4 室温下铁磁体、亚铁磁体及Mn3Sn等反铁磁体的极向克尔效应随磁化强度的变化关系［36］

Fig.4 Relationship between the polar Kerr effect and magnetization for ferromagnets， ferrimagnets， and Mn3Sn-containing antiferromagnets at room temperature［36］

图5 Mn3Sn薄膜的超快调制Voigt效应［41］。（a）全光学泵浦-探测实验装置原理图，400 nm泵浦激光脉冲（蓝色）引发反铁磁有序扰动，800 nm探测激光脉冲（红色）通过正交偏振片检测偏振强度变化（ΔP）；（b）室温下样品取向分别为θ=45°与θ=0°时偏振角变化（ΔP）随时间的变化曲线，θ=0°代表晶向（1ˉ100）与x轴平行；（c）在T=300 K时ΔR和ΔP的比较

Fig.5 Ultrafast modulation of the Voigt effect in a Mn3Sn film［41］. （a） Schematic diagram of all-optical pump-probe experimental setup： a 400 nm pump laser pulse （blue） induces a quench of the antiferromagnetic order， and an 800 nm probe laser pulse （red） passes through crossed polarizers to detect the change in polarization （ΔP）；（b） time evolution of the ΔP at room temperature for sample orientation of θ=45° and θ=0°， θ=0° corresponds to the crystallographic direction （1ˉ100） parallel to the x-axis；（c） comparison of ΔR and ΔP at T=300 K

图6 Mn3Sn薄膜在300 K的纵向磁光克尔磁滞回线［42］。（a） Al2O3/Mn3Sn （0001）、Al2O3/Mn3Sn （112ˉ0）和MgO/Mn3Sn（112ˉ0）薄膜的LMOKE曲线；（b）面内各向异性LMOKE表征的样品构型示意图；（c）Al2O3/Mn3Sn （0001）样品在（0001）面内的各向异性LMOKE磁滞回线；（d）LMOKE饱和克尔旋转角θK随面内方位角φ的变化关系

Fig.6 Longitudinal magneto-optic Kerr hysteresis loops measured for Mn3Sn thin films at 300 K［42］. （a） LMOKE loops for Al2O3/Mn3Sn （0001）， Al2O3/Mn3Sn （112ˉ0）， and MgO/Mn3Sn （112ˉ0） thin films；（b） schematic diagram of the sample configuration for in-plane anisotropy LMOKE characterization；（c） in-plane anisotropic LMOKE hysteresis loops for the Al2O3/Mn3Sn （0001） sample in the （0001） plane；（d） LMOKE saturation Kerr rotation angle θK as a function of in-plane azimuthal angle φ

表1 Mn3Sn单晶和薄膜的磁光性能汇总

Table 1 Summary of magneto-optical properties of Mn3Sn single crystals and thin films

材料	测试条件	性能参数
Mn₃Sn单晶（2 $1 ¯ 1 ¯$ 0）晶面^［36］	300 K， 660 nm， B//（2 $1 ¯ 1 ¯$ 0）	极向磁光克尔转角θ_K=17.5 mdeg
Mn₃Sn单晶（2 $1 ¯ 1 ¯$ 0）晶面^［36］	300 K， 580 nm	零场极向磁光克尔转角θ_K=19.6 mdeg
Mn₃Sn（11 $2 ¯$ 0）薄膜/Al₂O₃（1 $1 ¯$ 02）^［41］	全光学泵浦-探测，300 K 泵浦光： 400 nm 探测光： 800 nm	Voigt偏振旋转变化ΔP=370 μrad
Mn₃Sn（0001）薄膜/Pt缓冲层/Al₂O₃（0001）^［42］	300 K， 633 nm， B//（11 $2 ¯$ 0）	纵向磁光克尔转角\|θ_K\|=37.4 mdeg
Mn₃Sn（11 $2 ¯$ 0）薄膜/Al₂O₃（1 $1 ¯$ 02）^［42］	300 K， 633 nm， B//（1 $1 ¯$ 00）	纵向磁光克尔转角\|θ_K\|=18.3 mdeg
Mn₃Sn（11 $2 ¯$ 0）薄膜/MgO（110）^［42］	300 K， 633 nm， B//（1 $1 ¯$ 00）	纵向磁光克尔转角\|θ_K\|=12.8 mdeg
Mn₃Sn（0001）薄膜/Al₂O₃（0001）^［43］	300 K， 633 nm， B//（2 $1 ¯ 1 ¯$ 0）	纵向磁光克尔旋转角\|θ_K\|=16.2 mdeg
Mn₃₊_x Sn_1-_x （x=0.02）（薄膜厚度50 nm）^［45］	偏振分辨太赫兹时域光谱 300 K， 0.5~2.5 THz	偏振旋转角θ≈4 mrad
Mn₃₊_x Sn_1-_x （x=0.02）（薄膜厚度200 nm）^［45］		偏振旋转角θ≈5 mrad
Mn₃₊_x Sn_1-_x （x=0.02）（薄膜厚度400 nm）^［45］		偏振旋转角θ≈7 mrad

表1 Mn3Sn单晶和薄膜的磁光性能汇总

Table 1 Summary of magneto-optical properties of Mn3Sn single crystals and thin films

材料	测试条件	性能参数
Mn₃Sn单晶（2 $1 ¯ 1 ¯$ 0）晶面^［36］	300 K， 660 nm， B//（2 $1 ¯ 1 ¯$ 0）	极向磁光克尔转角θ_K=17.5 mdeg
Mn₃Sn单晶（2 $1 ¯ 1 ¯$ 0）晶面^［36］	300 K， 580 nm	零场极向磁光克尔转角θ_K=19.6 mdeg
Mn₃Sn（11 $2 ¯$ 0）薄膜/Al₂O₃（1 $1 ¯$ 02）^［41］	全光学泵浦-探测，300 K 泵浦光： 400 nm 探测光： 800 nm	Voigt偏振旋转变化ΔP=370 μrad
Mn₃Sn（0001）薄膜/Pt缓冲层/Al₂O₃（0001）^［42］	300 K， 633 nm， B//（11 $2 ¯$ 0）	纵向磁光克尔转角\|θ_K\|=37.4 mdeg
Mn₃Sn（11 $2 ¯$ 0）薄膜/Al₂O₃（1 $1 ¯$ 02）^［42］	300 K， 633 nm， B//（1 $1 ¯$ 00）	纵向磁光克尔转角\|θ_K\|=18.3 mdeg
Mn₃Sn（11 $2 ¯$ 0）薄膜/MgO（110）^［42］	300 K， 633 nm， B//（1 $1 ¯$ 00）	纵向磁光克尔转角\|θ_K\|=12.8 mdeg
Mn₃Sn（0001）薄膜/Al₂O₃（0001）^［43］	300 K， 633 nm， B//（2 $1 ¯ 1 ¯$ 0）	纵向磁光克尔旋转角\|θ_K\|=16.2 mdeg
Mn₃₊_x Sn_1-_x （x=0.02）（薄膜厚度50 nm）^［45］	偏振分辨太赫兹时域光谱 300 K， 0.5~2.5 THz	偏振旋转角θ≈4 mrad
Mn₃₊_x Sn_1-_x （x=0.02）（薄膜厚度200 nm）^［45］		偏振旋转角θ≈5 mrad
Mn₃₊_x Sn_1-_x （x=0.02）（薄膜厚度400 nm）^［45］		偏振旋转角θ≈7 mrad

图7 Mn3Sn晶体的电子结构图［46］。（a）块体Mn3Sn的能带结构；（b）四个Weyl节点的手性

Fig.7 Electronic structure of the Mn3Sn crystal［46］. （a） Band structure of bulk Mn3Sn；（b） chirality of the four Weyl nodes

图8 Mn-Sn相图［50］

Fig.8 Mn-Sn phase diagram［50］

图9 高质量Mn3Sn单晶的制备。（a）同一批次生长的锥形Mn3Sn单晶［51］；（b）线切割技术制备的片状样品［51］；（c）Mn3Sn单晶照片，黑色箭头与圆点代表（0001）晶向［55］

Fig.9 Preparation of high-quality Mn3Sn single crystals. （a） Conical Mn3Sn single crystals grown in the same batch［51］；（b） plate-like samples prepared using the wire-cutting technique［51］；（c） photograph of a Mn3Sn single crystal， with black arrows and dots indicating the （0001） crystallographic direction［55］

图10 Mn3Sn单晶的结构表征［56］。（a）Mn3Sn三个晶面的XRD图谱；（b）晶体实物照片及其晶面；（c）Mn3Sn的粉末XRD图谱；（d）Mn3Sn（202ˉ2）的面内φ扫描图案

Fig.10 Structural characterization of Mn3Sn single crystals［56］. （a） XRD patterns of three crystallographic planes of Mn3Sn；（b） photograph of the crystal and its corresponding crystallographic planes；（c） powder XRD pattern of Mn3Sn；（d） in-plane φ scanning pattern of Mn3Sn （202ˉ2）

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