Spiralförmige Phononen verwandeln ein paramagnetisches Material in einen Magneten – Physics World

Wenn das Atomgitter eines Materials vibriert, erzeugt es Quasiteilchen, sogenannte Phononen oder quantisierte Schallwellen. In bestimmten Materialien führt die korkenzieherartige Schwingung des Gitters dazu, dass diese Phononen chiral werden, was bedeutet, dass sie die „Händigkeit“ der Schwingung annehmen, die sie erzeugt hat. Nun haben Forscher der Rice University in den USA herausgefunden, dass diese chiralen Phononen einen weiteren Effekt haben: Sie können das Material magnetisch machen. Diese Erkenntnis könnte genutzt werden, um Eigenschaften hervorzurufen, die in natürlich vorkommenden Materialien nur schwer zu finden sind.

Eine dieser schwer zu findenden Eigenschaften betrifft Verletzungen der Zeitumkehrsymmetrie von Elektronen. Im Wesentlichen bedeutet Zeitumkehrsymmetrie, dass sich Elektronen unabhängig davon, ob sie sich in einem Material vorwärts oder rückwärts bewegen, gleich verhalten sollten. Die häufigste Art, diese Symmetrie zu verletzen, besteht darin, das Material in ein Magnetfeld zu bringen. Für einige mögliche Anwendungen ist dies jedoch nicht praktikabel.

Bisher ging man davon aus, dass sich Atome in ihrem Kristallgitter zu wenig und zu langsam bewegen, um die Zeitumkehrsymmetrie der Elektronen zu beeinflussen. In der neuen Arbeit führte jedoch ein Rice-Team durch Hanyu Zhu fanden heraus, dass, wenn Atome mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 Billionen Umdrehungen pro Sekunde um ihre durchschnittlichen Positionen im Gitter rotieren, die resultierenden spiralförmigen Schwingungen – chirale Phononen – die Zeitumkehrsymmetrie der Elektronen aufbrechen und ihnen eine bevorzugte Zeitrichtung geben.

„Jedes Elektron besitzt einen magnetischen Spin, der wie eine winzige Kompassnadel wirkt, die in das Material eingebettet ist und auf das lokale Magnetfeld reagiert“, erklärt ein Teammitglied Boris Jakobson. „Chiralität – auch Händigkeit genannt, weil linke und rechte Hand einander spiegeln, ohne sich zu überlagern – sollte die Energien des Elektronenspins nicht beeinflussen. Aber in diesem Fall polarisiert die chirale Bewegung des Atomgitters die Spins im Inneren des Materials, als ob ein großes Magnetfeld angelegt würde.“

Die Stärke dieses effektiven Magnetfelds betrage etwa 1 Tesla, fügt Zhu hinzu und sei damit vergleichbar mit der Stärke der stärksten Permanentmagnete.

Treibt die Bewegung eines Atomgitters an

Die Forscher nutzten ein rotierendes elektrisches Feld, um die Bewegung eines Atomgitters in einem spiralförmigen Muster anzutreiben. Sie taten dies in einem Material namens Cerfluorid, einem Seltenerd-Trihalogenid, das von Natur aus paramagnetisch ist, was bedeutet, dass die Spins seiner Elektronen normalerweise zufällig ausgerichtet sind. Anschließend überwachten sie den elektronischen Spin im Material mithilfe eines kurzen Lichtimpulses als Sonde, der das Licht mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen nach dem Anlegen des elektrischen Feldes auf die Probe feuerte. Die Polarisation des Sondenlichts ändert sich entsprechend der Spinrichtung.

„Wir fanden heraus, dass sich die Atome nach dem Wegfall des elektrischen Feldes weiter drehten und der elektronische Spin sich weiter drehte, um sich an der Rotationsrichtung der Atome auszurichten“, erklärt Zhu. „Anhand der Fliprate der Elektronen können wir das effektive Magnetfeld, das sie erfahren, als Funktion der Zeit berechnen.“

Das berechnete Feld stimmt mit dem überein, was von den Modellen des Teams zur angetriebenen Atombewegung und Spin-Phonon-Kopplung erwartet wird, erzählt Zhu Physik-Welt. Diese Kopplung ist bei Anwendungen wie dem Schreiben von Daten auf Festplatten wichtig.

Forscher finden "verlorenen" Drehimpuls

Die Erkenntnisse werfen nicht nur neue Erkenntnisse über die Spin-Phonon-Kopplung, die bei Seltenerdhalogeniden immer noch nicht vollständig verstanden ist, sondern könnten es Wissenschaftlern auch ermöglichen, Materialien zu entwickeln, die durch andere externe Felder wie Licht oder Quantenfluktuationen verändert werden können, sagt Zhu. „Ich habe über diese Möglichkeit seit meiner Postdoc-Zeit an der UC Berkeley nachgedacht, als wir die ersten zeitaufgelösten Experimente durchführten, um die Rotation von Atomen in zweidimensionalen Materialien zu überprüfen“, erklärt er. „Solche Rotationsmodi chiraler Phononen wurden vor ein paar Jahren vorhergesagt und seitdem habe ich mich immer wieder gefragt: Könnte die chirale Bewegung zur Steuerung elektronischer Materialien genutzt werden?“

Derzeit betont Zhu, dass die Hauptanwendungsgebiete der Arbeit in der Grundlagenforschung liegen. Allerdings fügt er hinzu: „Langfristig können wir mit Hilfe theoretischer Studien die Atomrotation möglicherweise als ‚Abstimmknopf‘ nutzen, um Eigenschaften zu verbessern, die die Zeitumkehr unterbrechen und in natürlichen Materialien selten zu finden sind, wie zum Beispiel die topologische Supraleitung.“ .

Die Rice-Forscher, die ihre aktuelle Arbeit detailliert beschreiben Wissenschaft, hoffen nun, ihre Methode anwenden zu können, um andere Materialien zu erforschen und nach Eigenschaften zu suchen, die über die Magnetisierung hinausgehen.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/