近日，华东师范大学袁翔课题组在磁性拓扑材料Sb掺杂MnBi2Te4中观测到由粒子-空穴对称性破缺引起的巨圆二色性。研究团队在理论上提出了强磁场产生粒子-空穴对称性破缺而导致系统只对一种圆偏振光响应的新原理，研发了验证这一理论所需的装置——强磁场偏振分辨的红外光谱装置，并成功观察到比现有材料强两个数量级且覆盖极宽波段的巨圆二色性。相关科学成果以“Giant and Broadband Circular Dichroism from Particle-Hole Symmetry Breaking in Weyl Semimetals”为题发表于《Nature Materials》，自主研发的偏振分辨原位强磁场红外光学装置成果发表于《Advanced Scientific Instruments》。
圆二色性是表征材料手性特征和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，传统磁性材料、手性晶体和人工超结构中对称性破缺程度有限，圆二色性通常较弱且局限于窄频段范围，实现宽谱、强响应的圆二色性始终是重要挑战。
研究团队理论预测，在强磁场下Mn(Bi,Sb)2Te4会从反铁磁拓扑绝缘体相变为第二类外尔半金属，并产生显著的粒子-空穴对称性破缺。磁场引入朗道量子化后，能带嵌套效应进一步增强了外尔点的带间跃迁，使光学响应覆盖目标红外波段。理论计算得到的光电导谱显示，Mn(Bi,Sb)2Te4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被强烈抑制。对称性分析揭示，粒子-空穴对称性约束了互为粒子-空穴对的朗道能级跃迁，因此这一对称性的强烈破缺是圆二色性的直接原因。
为了验证这一理论预言，研究团队自主研发了首套偏振分辨原位强磁场红外光学装置，突破了传统技术瓶颈，实现了强磁场下圆偏振分辨的红外光谱测量。利用该装置，研究人员通过磁红外吸收谱和微分谱，在高迁移率的Mn(Bi,Sb)2Te4中观测到磁性相变磁场附近的谱重转移和高场下清晰的外尔费米子朗道能级跃迁。利用装置的圆偏振分辨功能，进一步发现材料对左右旋圆偏振光表现出显著不同的吸收响应。实验观测到覆盖6–13 μm波段的宽谱圆二色性信号，最大值达到3240 mdeg。相反磁场方向以及相反圆偏振构型下的光谱响应进一步证实了其来源于材料本征的手性电子态。
最终实验发现了比现有材料强两个数量级（~130 mdeg nm−1）且覆盖极宽波段的巨圆二色性。这一工作提出了粒子-空穴对称性对拓扑物质调控的重要性，也为光学手性的实现提供了新方案。为解决这一科学问题所研制的原位偏振分辨的强磁场红外装置也为磁场下的物质科学研究提供了新的装置。
科学论文Nature Materials以华东师范大学博士生蒋翔宇、杜宇涵，博士后施泽平，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。仪器论文以施泽平、吴闻彬、张智炜、杜宇涵、徐辰尧为共同第一作者，袁翔教授为论文通讯作者。以上工作得到国家自然科学基金委员会、科技部、教育部、上海市等项目支持。
Nature Materials链接：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02630-6
Adv. Sci. Instrum.链接：https://doi.org/10.1016/j.asi.2026.100005