Τα σπειροειδή φωνόνια μετατρέπουν ένα παραμαγνητικό υλικό σε μαγνήτη - Physics World

Τα σπειροειδή φωνόνια μετατρέπουν ένα παραμαγνητικό υλικό σε μαγνήτη - Physics World

Χρονική σήμανση: 15 Ιανουαρίου 2024 4:00 π.μ.

Η εντύπωση του καλλιτέχνη από χειρόμορφα φωνόνια που διεγείρονται από κυκλικά πολωμένους παλμούς φωτός terahertz
Εφέ περιστροφής: Τα χειραλικά φωνόνια που διεγείρονται από τους κυκλικά πολωμένους παλμούς φωτός terahertz δημιουργούν εξαιρετικά γρήγορη μαγνήτιση σε φθοριούχο δημήτριο. Τα ιόντα φθορίου (κόκκινο, φούξια) τίθενται σε κίνηση με κυκλικά πολωμένους παλμούς φωτός terahertz (κίτρινη σπείρα), όπου το κόκκινο υποδηλώνει τα ιόντα με τη μεγαλύτερη κίνηση στη λειτουργία χειρόμορφου φωνονίου. Το ιόν δημητρίου αντιπροσωπεύεται σε γαλαζόχορτο. Η βελόνα της πυξίδας αντιπροσωπεύει τη μαγνήτιση που προκαλείται από τα περιστρεφόμενα άτομα. (Ευγενική προσφορά: Mario Norton and Jiaming Luo/Rice University)

Όταν το ατομικό πλέγμα ενός υλικού δονείται, παράγει οιονεί σωματίδια γνωστά ως φωνόνια ή κβαντισμένα ηχητικά κύματα. Σε ορισμένα υλικά, η δόνηση του πλέγματος σε ένα μοτίβο τιρμπουσόν θα καταστήσει αυτά τα φωνόνια χειρόμορφα, που σημαίνει ότι παίρνουν τη «δόνηση» της δόνησης που τα προκάλεσε. Τώρα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Rice στις ΗΠΑ ανακάλυψαν ότι αυτά τα χειρόμορφα φωνόνια έχουν ένα περαιτέρω αποτέλεσμα: μπορούν να κάνουν το υλικό μαγνητικό. Αυτό το εύρημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να προκαλέσει ιδιότητες που είναι δύσκολο να βρεθούν σε φυσικά υλικά.

Μια τέτοια δυσεύρετη ιδιότητα αφορά παραβιάσεις της συμμετρίας χρονικής αντιστροφής των ηλεκτρονίων. Στην ουσία, η συμμετρία χρονικής αντιστροφής υποδηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια πρέπει να συμπεριφέρονται το ίδιο ανεξάρτητα από το αν κινούνται προς τα εμπρός ή προς τα πίσω σε ένα υλικό. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος παραβίασης αυτής της συμμετρίας είναι η τοποθέτηση του υλικού σε μαγνητικό πεδίο, αλλά για ορισμένες πιθανές εφαρμογές, αυτό δεν είναι πρακτικό.

Προηγουμένως, η σκέψη ήταν ότι τα άτομα κινούνται πολύ λίγο και πολύ αργά στο κρυσταλλικό τους πλέγμα για να επηρεάσουν τη συμμετρία χρονικής αντιστροφής των ηλεκτρονίων. Στη νέα δουλειά, ωστόσο, μια ομάδα Rice με επικεφαλής Χανιού Ζου διαπίστωσε ότι όταν τα άτομα περιστρέφονται γύρω από τις μέσες θέσεις τους στο πλέγμα με ρυθμό περίπου 10 τρισεκατομμυρίων στροφών ανά δευτερόλεπτο, οι δονήσεις που προκύπτουν σε σχήμα σπειροειδούς σχήματος - χειραλικά φωνόνια - σπάζουν τη συμμετρία χρονικής αντιστροφής των ηλεκτρονίων και τους δίνουν μια προτιμώμενη χρονική κατεύθυνση.

«Κάθε ηλεκτρόνιο διαθέτει ένα μαγνητικό σπιν που λειτουργεί σαν μια μικροσκοπική βελόνα πυξίδας ενσωματωμένη στο υλικό, αντιδρώντας στο τοπικό μαγνητικό πεδίο», εξηγεί το μέλος της ομάδας Μπόρις Γιακόμπσον. «Η χειραλότητα – που ονομάζεται επίσης χεραιότητα λόγω του τρόπου με τον οποίο το αριστερό και το δεξί χέρι αντικατοπτρίζονται μεταξύ τους χωρίς να υπερτίθενται – δεν πρέπει να επηρεάζει τις ενέργειες του σπιν των ηλεκτρονίων. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, η χειρόμορφη κίνηση του ατομικού πλέγματος πολώνει τα σπιν μέσα στο υλικό σαν να είχε εφαρμοστεί ένα μεγάλο μαγνητικό πεδίο.»

Το μέγεθος αυτού του αποτελεσματικού μαγνητικού πεδίου είναι περίπου 1 Tesla, προσθέτει ο Zhu, καθιστώντας το συγκρίσιμο με αυτό που παράγεται από τους ισχυρότερους μόνιμους μαγνήτες.

Οδηγώντας την κίνηση ενός πλέγματος ατόμων

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα περιστρεφόμενο ηλεκτρικό πεδίο για να οδηγήσουν την κίνηση ενός πλέγματος ατόμων σε ένα σπειροειδές σχέδιο. Το έκαναν αυτό σε ένα υλικό που ονομάζεται φθοριούχο δημήτριο, ένα τριαλογονίδιο σπάνιας γαίας που είναι φυσικά παραμαγνητικό, που σημαίνει ότι τα σπιν των ηλεκτρονίων του είναι κανονικά τυχαία προσανατολισμένα. Στη συνέχεια παρακολούθησαν το ηλεκτρονικό σπιν στο υλικό χρησιμοποιώντας έναν σύντομο παλμό φωτός ως ανιχνευτή, εκτοξεύοντας το φως στο δείγμα με ποικίλες χρονικές καθυστερήσεις μετά την εφαρμογή του ηλεκτρικού πεδίου. Η πόλωση του φωτός του ανιχνευτή αλλάζει ανάλογα με την κατεύθυνση περιστροφής.

«Διαπιστώσαμε ότι όταν το ηλεκτρικό πεδίο είχε φύγει, τα άτομα συνέχισαν να περιστρέφονται και το ηλεκτρονικό σπιν συνέχιζε να αναστρέφεται για να ευθυγραμμιστεί με την περιστροφική φορά των ατόμων», εξηγεί ο Zhu. «Χρησιμοποιώντας τον ρυθμό αναστροφής των ηλεκτρονίων, μπορούμε να υπολογίσουμε το ενεργό μαγνητικό πεδίο που βιώνουν ως συνάρτηση του χρόνου».

Το υπολογιζόμενο πεδίο συμφωνεί με αυτό που αναμενόταν από τα μοντέλα της ομάδας κινούμενης ατομικής κίνησης και σύζευξης σπιν-φωνονίου, λέει ο Zhu Κόσμος Φυσικής. Αυτή η σύζευξη είναι σημαντική σε εφαρμογές όπως η εγγραφή δεδομένων σε σκληρούς δίσκους.

Εκτός από το να ρίχνουν νέο φως στη σύζευξη σπιν-φωνονίων, η οποία δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητή στα αλογονίδια σπάνιων γαιών, τα ευρήματα θα μπορούσαν να επιτρέψουν στους επιστήμονες να αναπτύξουν υλικά που μπορούν να κατασκευαστούν από άλλα εξωτερικά πεδία όπως το φως ή οι κβαντικές διακυμάνσεις, λέει ο Zhu. «Σκεφτόμουν αυτή τη δυνατότητα από τότε που έκανα μεταδιδακτορική διατριβή στο UC Berkeley, όταν πραγματοποιήσαμε τα πρώτα πειράματα με χρονική ανάλυση για να επαληθεύσουμε την περιστροφή των ατόμων σε δισδιάστατα υλικά», εξηγεί. «Τέτοιου είδους περιστροφικές λειτουργίες χειραλικών φωνονίων είχαν προβλεφθεί πριν από μερικά χρόνια και από τότε συνέχισα να αναρωτιέμαι: θα μπορούσε η χειρόμορφη κίνηση να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο ηλεκτρονικών υλικών;»

Προς το παρόν, ο Zhu τονίζει ότι οι κύριες εφαρμογές της εργασίας βρίσκονται στη θεμελιώδη έρευνα. Ωστόσο, προσθέτει ότι «μακροπρόθεσμα, με τη βοήθεια θεωρητικών μελετών, μπορεί να είμαστε σε θέση να χρησιμοποιήσουμε την ατομική περιστροφή ως «κουμπάκι συντονισμού» για να ενισχύσουμε τις ιδιότητες που σπάνε τη χρονική αντιστροφή και σπάνια βρίσκονται σε φυσικά υλικά, όπως η τοπολογική υπεραγωγιμότητα». .

Οι ερευνητές του Rice, οι οποίοι περιγράφουν λεπτομερώς την παρούσα εργασία τους στο Επιστήμη, τώρα ελπίζουν να εφαρμόσουν τη μέθοδό τους για να εξερευνήσουν άλλα υλικά και να αναζητήσουν ιδιότητες πέρα ​​από τη μαγνήτιση.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής