山西大学在磁性量子材料光电特性研究中取得重要进展

近日，山西大学激光光谱研究所张磊教授和理论物理研究所陈君教授联合深圳大学物理与光电工程学院王健讲席教授课题组，在磁性量子材料光电流散粒噪声理论方面取得重要进展。研究团队建立了光致直流散粒噪声(DC shot noise，简称DSN)的统一理论框架，首次揭示了两类仅在PT对称性破缺时出现的“磁性DSN”物理量。该方法可在无需电极接入、无净光电流的条件下，通过DSN探测材料的量子几何、磁相(铁磁/反铁磁)、层数奇偶与自旋纹理等特性。相关研究成果以《Shot Noise of Photocurrents in Magnetic Quantum Materials》为题，发表于国际物理学顶级期刊《物理评论快报》[Physical Review Letters, 135, 166702 (2025)]。张磊教授、陈君教授、王健教授为通讯作者，山西大学博士生刘欣月与深大助理教授向龙俊为共同第一作者，山西大学博士后杨雅卿、深大许富明教授参与了该工作。

体光伏效应在光电器件设计和太阳能转换方面具有重要作用。体光伏效应起源于位移光电流和注入光电流等内禀二阶非线性光电流响应。最新研究表明，这些二阶非线性光电流还可用于探测量子材料中的量子几何和拓扑性质。但二阶非线性光电流只能存在于中心反演对称破缺的量子材料中。在保持空间反演对称的材料中,这类二阶电流会被完全禁止,传统电流探测由此失效。事实上，光电流的量子涨落也携带了重要信息，明确量子噪声与对称性、几何之间的关系，有望在无净电流的极限下，实现对磁性材料量子几何特性的非侵入式探测。

光致直流散粒噪声的物理图像：在保持空间反演对称（P）和时间反演破缺（T）的磁性体系中，二阶光电流被禁止，但 DSN 仍然存在

研究团队建立了光致直流散粒噪声的量子非线性响应理论，系统给出了DSN与PT对称性以及光偏振态的依赖关系。在此基础上，首次揭示了两类仅在PT破缺时出现的散粒噪声信号——磁性位移DSN与磁性注入DSN。这些噪声继承了布洛赫态的量子几何信息，可作为分辨对称性的“噪声指纹”。进一步的模型与第一性原理计算显示：在交替磁体中，磁性DSN随自旋取向呈周期变化，可用于交替磁体自旋纹理的分辨；在双层CrI3中，铁磁相出现很强的磁性DSN特征峰，而反铁磁相因PT对称使DSN完全禁止，从而实现对磁相的清晰区分。这确立了DSN作为探测磁性量子材料中对称性、量子几何和自旋纹理等特性的强大工具。

该工作得到国家自然科学基金、山西省“1331”工程、山西省回国留学人员科研项目、光量子技术与器件全国重点实验室、省部共建极端光学协同创新中心的支持。

相关链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/nsky-zmzp