Fonones en espiral convierten un material paramagnético en un imán – Física Mundial

Cuando la red atómica de un material vibra, produce cuasipartículas conocidas como fonones u ondas sonoras cuantificadas. En ciertos materiales, hacer vibrar la red en forma de sacacorchos hará que estos fonones sean quirales, lo que significa que adquieren la "lateralidad" de la vibración que los produjo. Ahora, investigadores de la Universidad Rice en Estados Unidos han descubierto que estos fonones quirales tienen un efecto adicional: pueden hacer que el material sea magnético. Este hallazgo podría utilizarse para inducir propiedades que son difíciles de encontrar en materiales naturales.

Una de esas propiedades difíciles de encontrar se refiere a las violaciones de la simetría de inversión temporal de los electrones. En esencia, la simetría de inversión del tiempo implica que los electrones deben comportarse igual independientemente de si se mueven hacia adelante o hacia atrás en un material. La forma más común de violar esta simetría es colocar el material en un campo magnético, pero para algunas posibles aplicaciones, esto no es práctico.

Anteriormente, se pensaba que los átomos se mueven demasiado poco y demasiado lento en su red cristalina para afectar la simetría de inversión temporal de los electrones. Sin embargo, en el nuevo trabajo, un equipo de Rice dirigido por Hanyu Zhu descubrieron que cuando los átomos giran alrededor de sus posiciones promedio en la red a una velocidad de aproximadamente 10 billones de revoluciones por segundo, las vibraciones en forma de espiral resultantes (fonones quirales) rompen la simetría de inversión temporal de los electrones y les dan una dirección temporal preferida.

"Cada electrón posee un espín magnético que actúa como una pequeña aguja de brújula incrustada en el material, reaccionando al campo magnético local", explica un miembro del equipo. Boris Yakobson. “La quiralidad –también llamada lateralidad debido a la forma en que las manos izquierda y derecha se reflejan entre sí sin ser superponibles– no debería afectar las energías del espín de los electrones. Pero en este caso, el movimiento quiral de la red atómica polariza los espines dentro del material como si se aplicara un gran campo magnético”.

La magnitud de este campo magnético efectivo es de aproximadamente 1 Tesla, añade Zhu, lo que lo hace comparable al producido por los imanes permanentes más fuertes.

Impulsar el movimiento de una red de átomos.

Los investigadores utilizaron un campo eléctrico giratorio para impulsar el movimiento de una red de átomos en forma de espiral. Lo hicieron en un material llamado fluoruro de cerio, un trihaluro de tierras raras que es naturalmente paramagnético, lo que significa que los espines de sus electrones normalmente están orientados al azar. Luego monitorearon el giro electrónico en el material usando un pulso de luz corto como sonda, disparando la luz a la muestra con diferentes retrasos de tiempo después de aplicar el campo eléctrico. La polarización de la luz de la sonda cambia según la dirección de giro.

"Descubrimos que cuando el campo eléctrico desaparecía, los átomos continuaban girando y el giro electrónico seguía cambiando para alinearse con la dirección de rotación de los átomos", explica Zhu. "Utilizando la velocidad de inversión de los electrones, podemos calcular el campo magnético efectivo que experimentan en función del tiempo".

El campo calculado concuerda con el esperado de los modelos del equipo de movimiento atómico impulsado y acoplamiento de espín-fonón, dice Zhu. Mundo de la física. Este acoplamiento es importante en aplicaciones como la escritura de datos en discos duros.

Investigadores encuentran momento angular 'perdido'

Además de arrojar nueva luz sobre el acoplamiento espín-fonón, que aún no se comprende completamente en los haluros de tierras raras, los hallazgos podrían permitir a los científicos desarrollar materiales que puedan ser diseñados por otros campos externos como la luz o las fluctuaciones cuánticas, dice Zhu. "He estado pensando en esta posibilidad desde mi postdoctorado en UC Berkeley, cuando realizamos los primeros experimentos resueltos en el tiempo para verificar la rotación de átomos en materiales bidimensionales", explica. "Estos modos de fonones quirales rotacionales se predijeron hace unos años y desde entonces me pregunté: ¿podría usarse el movimiento quiral para controlar materiales electrónicos?"

Por ahora, Zhu subraya que las principales aplicaciones del trabajo se encuentran en la investigación fundamental. Sin embargo, añade que “a largo plazo, con la ayuda de estudios teóricos, podremos utilizar la rotación atómica como 'perilla de sintonización' para mejorar propiedades que rompen la inversión del tiempo y que rara vez se encuentran en materiales naturales, como la superconductividad topológica". .

Los investigadores de Rice, que detallan su trabajo actual en Ciencia:, ahora esperan aplicar su método para explorar otros materiales y buscar propiedades más allá de la magnetización.

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