Research Progress on Novel Topological Magneto-Optical Materials

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

Abstract

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

CLC Number:

O734

WANG Shenglin, SHEN Hui, RAN Yiming, CHEN Zhenghong, XU Jiayue. Research Progress on Novel Topological Magneto-Optical Materials[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(9): 1344-1356.

Figures/Tables 11

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fig.8 Mn-Sn phase diagram［50］

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］

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）

References 63

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