2023年8月5号，中国物理快报（Chinese Physics Letters）在线发表了物理学院于涛教授“量子磁性与自旋物理”课题组题为“Surface Ferron Excitations in Ferroelectrics and Their Directional Routing”的研究论文，华中科技大学为论文第一单位。课题组周熙涵为论文第一作者，课题组蔡成渊、日本东北大学Ping Tang博士和 Gerrit E. W. Bauer教授、智利天主教大学R. L. Rodríguez-Suárez 教授、巴西伯南布哥联邦大学Sergio M. Rezende教授参与了本项研究，于涛教授为文章的通讯作者。
在磁性绝缘体中，磁子作为自旋、动量和热的信息载体，有望在磁性器件中实现低能耗的信息传输[J. Phys.: Condens. Matter 33，413001 (2021)]。其中，长程磁偶极相互作用能够导致磁子表面模式“Damon–Eshbach Mode”，其圆极化方向由表面法线方向与动量方向的叉积所决定，因而具有强烈的手性。这一手性模式为磁子的调控及输运打开了新的窗口[Nat.Mater. 12,549 (2013)]。另一方面，在铁电材料中，由于电偶极子和磁偶极子的对偶性，类比于磁子，Gerrit E. W. Bauer教授在铁电材料中提出电偶极矩的激发也可以看作为一种准粒子，并将其命名为“铁振子”（“Ferron”）。理论表明，激发的极化波（铁子）携带电极化信息，可以传输极化与热[Phys. Rev. Lett. 126，187603 (2021)]，并且有初步的实验证据[Sci. Adv. 9，eadd7194 (2023)]。 这也引发我们思考，类比于铁磁系统中的“Damon–Eshbach Mode”，在铁电系统中是否存在由电偶极相互作用所导致的铁电极化表面模式（“Surface Ferron”）。
在这项工作中，于涛教授课题组联合日本东北大学 Gerrit E. W. Bauer 教授等合作者预测了一种在铁电材料中由长程偶极相互作用形成的表面模式（“Surface Ferron”）。该极化波有两支，并且与磁子学中的“Damon–Eshbach Mode”有很大的不同：高频支是圆极化的，频率接近等离子体的频率，并且该支的动量与极化相互锁定；低频支在平面内偏振并且垂直于波矢，产生圆偏振的电场，并且偏振与动量锁定。该表面铁子的色散关系是高度各向异性的，当被聚焦激光束激发时，作者预言该各向异性会使低频支的表面极化波及其手性的电场定向发射，在铁电材料中形成独特的光学波导。这给在铁电绝缘体而不是金属装置中实现微尺度宽带光学定向发射提供了思路。并且，由于其产生的电场具有手性，这也给未来通过电场耦合实现表面铁子的手性调控提供了基础。
图1：利用聚焦激光束在铁电材料中激发定向发射的表面“铁子”示意图。
图2：由聚焦激光束在铁电材料LiNbO3中形成的光学波导。