MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798280711778
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI32000335
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a540
■1001  ▼aQiu,  Jianxiang.▼0(orcid)0000-0002-3855-9374
■24510▼aExploring  Axion  Physics  in  Quantum  Materials  via  Magnetoelectric  Coupling
■260    ▼a[Sl]▼bHarvard  University▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a292  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-12,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Xu,  Suyang.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Harvard  University,  2025.
■520    ▼aAxion,  a  hypothetical  particle  in  high-energy  physics,  was  originally  proposed  to  solve  both  the  strong  CP  problem  in  quantum  chromodynamics  and  the  dark  matter  problem.  Due  to  its  extremely  weak  interaction  with  ordinary  matter,  the  Axion  has  remained  elusive  despite  decades  of  searches.  In  electromagnetism,  Axion  physics  introduces  an  additional  E  ·  B  term  to  Maxwell's  equations,  which  couples  electric  and  magnetic  fields.  In  condensed  matter  physics,  this  framework  finds  an  analog  in  the  magnetoelectric  coupling  of  topological  materials.  In  vacuum  or  conventional  materials,  an  electric  field  induces  electrical  polarization,  while  a  magnetic  field  generates  magnetization-typically  without  cross-coupling  between  the  two.  However,  beyond  this  paradigm,  certain  novel  materials  could  exhibit  magnetoelectric  coupling,  where  an  electric  field  induces  magnetization  (M  =  αE)  or  a  magnetic  field  induces  electric  polarization  (P  =  αH).  The  magnetoelectric  effect  is  commonly  observed  in  a  special  class  of  wide-bandgap  magnetic  insulators,  known  as  magnetoelectric  or  multiferroic  insulators  (e.g.,  Cr2O3  and  BiFeO3),  where  the  effect  arises  from  localized  magnetic  ions.  More  recently,  theoretical  advances  have  predicted  fundamentally  new  types  of  magnetoelectric  coupling  in  topological  materials-systems  characterized  by  nontrivial  topological  invariants  and  Berry  curvature.  Unlike  conventional  insulators,  these  materials  can  support  robust  dissipationless  edge  states  and  exhibit  magnetoelectric  phenomena  rooted  in  their  topological  electronic  structure.  In  particular,  magnetic  topological  insulators  provide  a  platform  where  magnetism  and  topology  intertwine,  giving  rise  to  rich  physics,  including  a  quantized  magnetoelectric  coefficient  in  topological  insulators,  Axion  quasiparticles  in  antiferromagnetic  (AFM)  topological  insulators,  and  the  chiral  anomaly  in  magnetic  Weyl  semi-metals.In  this  thesis,  we  present  several  experimental  discoveries,  uncovering  the  unique  magnetoelectric  effect  in  magnetic  topological  material.  First,  we  investigate  the  optical  magnetoelectric  effect  in  the  prototypical  AFM  topological  insulator  MnBi2Te4,  which  enables  unique  reflection  circular  dichroism  in  an  antiferromagnet.  Furthermore,  we  achieved  the  optical  control  of  the  antiferromagnetic  order  by  circularly  polarized  light  for  the  first  time.  Both  the  optical  detection  and  control  could  be  understood  within  the  framework  of  optical  Axion  electrodynamics.  Next,  we  report  the  direct  observation  of  the  Axion  quasiparticle  in  MnBi2Te4,  which  is  a  condensed  matter  analog  of  the  dark  matter  Axion.  Using  ultrafast  optical  pump-probe  techniques,  we  observe  coherent  oscillations  of  the  magnetoelectric  coefficient  α  in  MnBi2Te4,  which  is  the  smoking-gun  evidence  for  the  Axion  quasiparticles.  Microscopically,  the  Axion  quasiparticle  is  enabled  by  magnon-induced  Berry  curvature  modulation.  The  observed  Axion  quasiparticle  not  only  can  serve  as  a  simulator  for  the  elusive  dark  matter  Axion,  but  it  could  also  serve  as  a  potential  Axion  detector,  providing  a  novel  path  for  dark  matter  detection.  Lastly,  we  shift  our  focus  to  explore  the  magnetoelectric  coupling  in  a  magnetic  Weyl  semimetal  CeAlSi.  Firstly,  we  uncover  a  broadband  nonlinear  optical  diode  effect  (NODE)  in  CeAlSi,  where  the  magnetization  induces  a  pronounced  directional  asymmetry  in  the  optical  second-harmonic  generation  (SHG).  DFT  calculations  also  show  that  this  broadband  NODE  effect  originates  from  the  Weyl  fermions.  By  applying  an  electrical  current,  we  further  explore  the  magnetoelectric  coupling  in  this  magnetic  Weyl  semimetal,  in  which  we  discover  the  electric  control  over  the  magnetic  domains.
■590    ▼aSchool  code:  0084.
■650  4▼aChemistry
■650  4▼aPhysical  chemistry
■650  4▼aPhysics
■650  4▼aElectromagnetics
■650  4▼aCondensed  matter  physics
■653    ▼a2D  materials
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■653    ▼aThe  magnetoelectric  effect
■653    ▼aTopological  materials
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■71020▼aHarvard  University▼bChemistry  and  Chemical  Biology.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-12B.
■790    ▼a0084
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17357323▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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