Spiralfononer gør et paramagnetisk materiale til en magnet – Physics World

Spiralfononer gør et paramagnetisk materiale til en magnet – Physics World

Tidsstempel: 15. januar 2024 kl. 4

Kunstnerens indtryk af chirale fononer ophidset af cirkulært polariserede terahertz-lysimpulser
Spin-effekter: Chirale fononer ophidset af de cirkulært polariserede terahertz-lysimpulser genererer ultrahurtig magnetisering i ceriumfluorid. Fluorioner (rød, fuchsia) sættes i bevægelse af cirkulært polariserede terahertz-lysimpulser (gul spiral), hvor rød angiver ionerne med den største bevægelse i den chirale fonontilstand. Ceriumionen er repræsenteret i krikand. Kompasnålen repræsenterer magnetiseringen induceret af de roterende atomer. (Med høflighed: Mario Norton og Jiaming Luo/Rice University)

Når et materiales atomgitter vibrerer, producerer det kvasipartikler kendt som fononer eller kvantiserede lydbølger. I visse materialer vil vibrering af gitteret i et proptrækkermønster gøre disse fononer chirale, hvilket betyder, at de påtager sig "handedness" af den vibration, der producerede dem. Nu har forskere ved Rice University i USA fundet ud af, at disse chirale fononer har en yderligere effekt: de kan gøre materialet magnetisk. Denne opdagelse kunne bruges til at fremkalde egenskaber, der er svære at finde i naturligt forekommende materialer.

En sådan svær at finde egenskab vedrører krænkelser af elektronernes tidsvendende symmetri. I bund og grund indebærer tidsvendingssymmetri, at elektroner skal opføre sig ens, uanset om de bevæger sig fremad eller bagud i et materiale. Den mest almindelige måde at overtræde denne symmetri på er at placere materialet i et magnetfelt, men for nogle mulige anvendelser er dette ikke praktisk.

Tidligere var tanken, at atomer bevæger sig for lidt og for langsomt i deres krystalgitter til at påvirke elektronernes tidsvendende symmetri. I det nye værk er dog et Rice-hold ledet af Hanyu Zhu fundet, at når atomer roterer rundt om deres gennemsnitlige positioner i gitteret med en hastighed på omkring 10 billioner omdrejninger i sekundet, bryder de resulterende spiralformede vibrationer – chirale fononer – elektronernes tidsvendingssymmetri og giver dem en foretrukken tidsretning.

"Hver elektron har et magnetisk spin, der fungerer som en lille kompasnål indlejret i materialet, der reagerer på det lokale magnetfelt," forklarer teammedlemmet Boris Yakobson. “Kiralitet – også kaldet håndhed på grund af den måde, hvorpå venstre og højre hånd spejler hinanden uden at være overlejrede – bør ikke påvirke energierne fra elektronernes spin. Men i dette tilfælde polariserer den chirale bevægelse af atomgitteret spindene inde i materialet, som om et stort magnetfelt blev påført."

Størrelsen af ​​dette effektive magnetfelt er omkring 1 Tesla, tilføjer Zhu, hvilket gør det sammenligneligt med det, der produceres af de stærkeste permanente magneter.

Driver bevægelsen af ​​et gitter af atomer

Forskerne brugte et roterende elektrisk felt til at drive bevægelsen af ​​et gitter af atomer i et spiralmønster. De gjorde dette i et materiale kaldet ceriumfluorid, et sjældent jordart trihalogenid, der er naturligt paramagnetisk, hvilket betyder, at dets elektroners spin normalt er tilfældigt orienteret. De overvågede derefter det elektroniske spin i materialet ved hjælp af en kort lysimpuls som en sonde, der affyrede lyset mod prøven med varierende tidsforsinkelser efter påføring af det elektriske felt. Polariseringen af ​​sondelyset ændres i henhold til spinretningen.

"Vi fandt ud af, at når det elektriske felt var væk, fortsatte atomerne med at rotere, og det elektroniske spin blev ved med at vende for at flugte med atomernes rotationsretning," forklarer Zhu. "Ved at bruge elektronernes vendehastighed kan vi beregne det effektive magnetfelt, de oplever som en funktion af tiden."

Det beregnede felt stemmer overens med det, der forventes fra holdets modeller for drevet atombevægelse og spin-fonon-kobling, fortæller Zhu Fysik verden. Denne kobling er vigtig i applikationer som at skrive data på harddiske.

Udover at kaste nyt lys over spin-phonon-kobling, som stadig ikke er fuldt ud forstået i sjældne jordarters halogenider, kan resultaterne gøre det muligt for forskere at udvikle materialer, der kan konstrueres af andre eksterne felter såsom lys- eller kvanteudsving, siger Zhu. "Jeg har tænkt på denne mulighed siden min post-doc ved UC Berkeley, hvor vi udførte de første tidsopløste eksperimenter for at verificere rotationen af ​​atomer i todimensionelle materialer," forklarer han. "Sådanne roterende chirale fonontilstande blev forudsagt for et par år tilbage, og siden da blev jeg ved med at spekulere på: kunne den chirale bevægelse bruges til at styre elektroniske materialer?"

Indtil videre understreger Zhu, at værkets vigtigste anvendelser ligger i grundforskning. Han tilføjer dog, at "i det lange løb, ved hjælp af teoretiske undersøgelser, vil vi muligvis være i stand til at bruge atomrotation som en 'tuning-knap' til at forbedre egenskaber, der bryder tids-reversering og sjældent findes i naturlige materialer, såsom topologisk superledning." .

Risforskerne, der detaljerer deres nuværende arbejde i Videnskab, håber nu at anvende deres metode til at udforske andre materialer og lede efter egenskaber ud over magnetisering.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden