الفونونات المتصاعدة تحول المادة البارامغناطيسية إلى مغناطيس – عالم الفيزياء

عندما تهتز الشبكة الذرية للمادة، فإنها تنتج أشباه الجسيمات المعروفة باسم الفونونات، أو الموجات الصوتية الكمية. في بعض المواد، فإن اهتزاز الشبكة في نمط حلزوني سيجعل هذه الفونونات حلزونية، مما يعني أنها تأخذ "الاهتزاز" الذي أنتجها. الآن، وجد الباحثون في جامعة رايس في الولايات المتحدة أن هذه الفونونات اللولبية لها تأثير إضافي: يمكنها جعل المادة مغناطيسية. يمكن استخدام هذا الاكتشاف للحث على خصائص يصعب العثور عليها في المواد الطبيعية.

إحدى هذه الخصائص التي يصعب العثور عليها تتعلق بانتهاكات التناظر العكسي الزمني للإلكترونات. في جوهره، يشير التناظر العكسي للزمن إلى أن الإلكترونات يجب أن تتصرف بنفس الطريقة بغض النظر عما إذا كانت تتحرك للأمام أو للخلف في المادة. الطريقة الأكثر شيوعًا لانتهاك هذا التماثل هي وضع المادة في مجال مغناطيسي، ولكن بالنسبة لبعض التطبيقات المحتملة، فإن هذا غير عملي.

في السابق، كان الاعتقاد السائد هو أن الذرات تتحرك ببطء شديد وقليل جدًا في شبكتها البلورية، بحيث لا تؤثر على التناظر العكسي الزمني للإلكترونات. في العمل الجديد، ومع ذلك، فريق رايس بقيادة هانيو تشو وجد أنه عندما تدور الذرات حول مواقعها المتوسطة في الشبكة بمعدل حوالي 10 تريليون دورة في الثانية، فإن الاهتزازات الحلزونية الناتجة - الفونونات اللولبية - تكسر التماثل العكسي الزمني للإلكترونات، وتمنحها اتجاهًا زمنيًا مفضلاً.

يوضح عضو الفريق: "يمتلك كل إلكترون دورانًا مغناطيسيًا يعمل مثل إبرة بوصلة صغيرة مدمجة في المادة، ويتفاعل مع المجال المغناطيسي المحلي". بوريس ياكوبسون. "لا ينبغي أن تؤثر اللامركزية - والتي تسمى أيضًا استخدام اليد بسبب الطريقة التي تعكس بها اليد اليسرى واليمنى بعضها البعض دون أن تكون قابلة للتركيب - على طاقات دوران الإلكترونات. ولكن في هذه الحالة، فإن الحركة اللولبية للشبكة الذرية تستقطب السبينات داخل المادة كما لو تم تطبيق مجال مغناطيسي كبير.

ويضيف تشو أن حجم هذا المجال المغناطيسي الفعال يبلغ حوالي 1 تسلا، مما يجعله مشابهًا لذلك الذي تنتجه أقوى المغناطيسات الدائمة.

قيادة حركة شبكة من الذرات

استخدم الباحثون مجالًا كهربائيًا دوارًا لدفع حركة شبكة من الذرات بنمط حلزوني. لقد فعلوا ذلك في مادة تسمى فلوريد السيريوم، وهو ثلاثي هاليد أرضي نادر ذو خصائص مغناطيسية طبيعية، مما يعني أن دوران إلكتروناته عادة ما يكون موجهًا بشكل عشوائي. ثم قاموا بمراقبة الدوران الإلكتروني في المادة باستخدام نبضة ضوئية قصيرة كمسبار، حيث أطلقوا الضوء على العينة بتأخيرات زمنية متفاوتة بعد تطبيق المجال الكهربائي. يتغير استقطاب ضوء المسبار وفقًا لاتجاه الدوران.

يوضح تشو: "لقد وجدنا أنه عندما يختفي المجال الكهربائي، تستمر الذرات في الدوران ويستمر الدوران الإلكتروني في التقلب ليتوافق مع اتجاه دوران الذرات". "باستخدام معدل تقليب الإلكترونات، يمكننا حساب المجال المغناطيسي الفعال الذي تتعرض له كدالة للوقت."

ويتفق المجال المحسوب مع ما هو متوقع من نماذج الفريق للحركة الذرية المدفوعة والاقتران الفونوني، كما يقول تشو. عالم الفيزياء. يعد هذا الاقتران مهمًا في التطبيقات مثل كتابة البيانات على الأقراص الثابتة.

وجد الباحثون الزخم الزاوي "المفقود"

يقول تشو إنه بالإضافة إلى تسليط ضوء جديد على اقتران السبين-فونون، والذي لا يزال غير مفهوم تمامًا في هاليدات الأرض النادرة، فإن النتائج يمكن أن تمكن العلماء من تطوير مواد يمكن هندستها بواسطة مجالات خارجية أخرى مثل الضوء أو التقلبات الكمية. ويشرح قائلاً: "لقد كنت أفكر في هذا الاحتمال منذ أن كنت في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، عندما أجرينا أول تجارب تم حلها عبر الزمن للتحقق من دوران الذرات في المواد ثنائية الأبعاد". "لقد تم التنبؤ بأنماط الفونون الدورانية هذه قبل بضع سنوات، ومنذ ذلك الحين ظللت أتساءل: هل يمكن استخدام الحركة اللولبية للتحكم في المواد الإلكترونية؟"

وفي الوقت الحالي، يؤكد تشو على أن التطبيقات الرئيسية لهذا العمل تكمن في الأبحاث الأساسية. ومع ذلك، يضيف أنه "على المدى الطويل، وبمساعدة الدراسات النظرية، قد نكون قادرين على استخدام الدوران الذري باعتباره "مقبض ضبط" لتعزيز خصائص كسر انعكاس الزمن والتي نادرًا ما توجد في المواد الطبيعية، مثل الموصلية الفائقة الطوبولوجية". .

الباحثون في رايس، الذين يعرضون تفاصيل عملهم الحالي في علومويأملون الآن في تطبيق طريقتهم لاستكشاف مواد أخرى والبحث عن خصائص تتجاوز المغنطة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/