圆二色性是指材料对左、右旋圆偏振光吸收能力存在差异的重要光学现象，是表征材料对称性破缺的重要物理量，在凝聚态物理、化学和生命科学等领域具有广泛应用。然而，传统材料中的圆二色性通常来源于晶体结构手性或磁有序，其响应强度较弱、波段较窄。因此，探索新的物理机制，实现兼具强响应和宽谱特性的圆二色性，是当前磁光研究的重要方向。
Weyl半金属中的低能电子具有独特的手性，为研究圆偏振光与拓扑电子态之间的相互作用提供了天然平台。然而，在理想Weyl体系中，不同手性的光学跃迁往往相互抵消，难以产生显著的净圆二色响应。本研究发现，在场致铁磁态Mn(Bi, Sb)2Te4中，其第二类Weyl能带具有显著的粒子-空穴对称性破缺，并由此产生异常强烈的手性光学响应。研究揭示了粒子-空穴对称性破缺在调控Weyl费米子光学性质中的重要作用，为在拓扑量子材料中实现宽带巨圆二色响应提供了新的物理机制。
实现上述研究的一个关键前提，是获得能够清晰呈现磁性Weyl费米子朗道量子化的高质量单晶。Mn(Bi, Sb)2Te4材料普遍存在反位缺陷，较低的载流子迁移率使其朗道能级及相关量子现象难以清晰分辨。针对这一瓶颈，张成课题组系统优化了Mn(Bi, Sb)2Te4单晶生长工艺，通过精确调控Sb掺杂比例以及化学气相输运生长条件，有效抑制反位缺陷，同时实现费米能级的可控调节（相关前期进展发表于Nature Communications 17, 1029 (2026)）。研究团队通过磁化和低温磁输运测量，揭示了材料由反铁磁态向铁磁态演化的磁相变过程，并获得不同Sb掺杂条件下自旋翻转场和饱和磁场等关键参数；霍尔效应测试发现，当Sb掺杂比例约0.21时，体系迁移率达到约2500 cm2V−1s−1，相比未掺杂优化的MnBi2Te4提高约20倍。高迁移率与费米能级的精准调控，为磁场下Weyl费米子的朗道量子化及圆二色性研究奠定了关键的材料基础。
图1：Mn(Bi, Sb)2Te4的磁学测试、输运性质及磁红外光谱特征。
在此基础上，研究团队开展了磁场下的红外光谱研究。通过探测源于第二类Weyl锥的朗道能级跃迁，实验发现异常强烈的手性选择的光学响应，在中远红外波段观测到超过3000 mdeg的巨大圆二色性，并覆盖6–13 μm宽光谱范围。相应厚度归一化的圆二色性峰值达到约130 mdeg nm−1，较已有材料体系高出约两个数量级。这一宽谱巨圆二色性主要来源于Mn(Bi, Sb)2Te4第二类Weyl能带中显著的粒子-空穴对称性破缺，使不同圆偏振光对应的光学跃迁出现强烈不对称，其中一个手性通道的光学吸收几乎完全受到抑制。与此同时，朗道量子化诱导的能带嵌套效应进一步增强了Weyl点附近的带间跃迁，使强烈的手性选择性光学响应覆盖目标红外波段。理论计算进一步表明，该体系的光学吸收几乎完全由单一手性通道贡献，而另一手性通道在整个能量范围内受到强烈抑制。该研究论证了粒子-空穴对称性在拓扑材料调控方面的重要性，也为光学手性的实现提供了新方案。
图2：Mn(Bi, Sb)2Te4中Weyl点以及粒子-空穴对称性破缺的起源。
图3：不同材料体系中厚度归一化的圆二色性对比。
相关研究成果于2026年6月24日在线发表于Nature Materials期刊，题为《Giant and broadband circular dichroism from particle–hole symmetry breaking in Weyl semimetals》。华东师范大学博士生蒋翔宇、杜宇涵，博士后施泽平和复旦大学博士生陈昊楠为论文共同第一作者；华东师范大学袁翔教授和复旦大学张成研究员为论文共同通讯作者。其中复旦大学团队负责材料合成优化和物性表征，华东师范大学团队负责磁光谱测量和分析。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市基础研究特区计划和上海启源青年学者等项目支持。
论文发表后，Nature Materials刊发了题为《Twisting light the Weyl way》的专栏评述，法国国家强磁场实验室Milan Orlita教授在评述中指出，该研究为寻找新型强圆二色材料提供了重要的材料设计思路，并为未来的实际应用开辟新的研究方向。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02630-6
评述链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02709-0
