Spiraalsed fononid muudavad paramagnetilise materjali magnetiks – füüsikamaailmaks

Kui materjali aatomvõre vibreerib, tekitab see kvaasiosakesi, mida nimetatakse fonoonideks või kvantiseeritud helilaineteks. Teatud materjalides muudab võre korgitseri mustri vibreerimine need fononid kiraalseks, mis tähendab, et nad võtavad neid tekitanud vibratsiooni "käelisuse". Nüüd on USA Rice'i ülikooli teadlased avastanud, et neil kiraalsetel fononitel on täiendav mõju: nad võivad muuta materjali magnetiliseks. Seda leidu saab kasutada selliste omaduste esilekutsumiseks, mida on looduslikult esinevatest materjalidest raske leida.

Üks selline raskesti leitav omadus puudutab elektronide aja tagasipööramise sümmeetria rikkumisi. Sisuliselt tähendab aja ümberpööramise sümmeetria, et elektronid peaksid käituma samamoodi, olenemata sellest, kas nad liiguvad materjalis edasi või tagasi. Kõige tavalisem viis selle sümmeetria rikkumiseks on asetada materjal magnetvälja, kuid mõne võimaliku rakenduse puhul pole see otstarbekas.

Varem arvati, et aatomid liiguvad oma kristallvõres liiga vähe ja liiga aeglaselt, et mõjutada elektronide ajapöörde sümmeetriat. Uues töös aga Riisi meeskond eesotsas Hanyu Zhu leidis, et kui aatomid pöörlevad võres oma keskmiste positsioonide ümber kiirusega umbes 10 triljonit pööret sekundis, rikuvad tekkivad spiraalikujulised võnked – kiraalsed fononid – elektronide ajapöörde sümmeetria ja annavad neile eelistatud ajasuuna.

"Igal elektronil on magnetiline spin, mis toimib nagu materjali sisse põimitud pisike kompassinõel, mis reageerib kohalikule magnetväljale," selgitab meeskonnaliige. Boriss Jakobson. "Kiraalsus, mida nimetatakse ka käelisuseks, kuna vasak ja parem käsi peegeldavad üksteist, olemata kattuvad, ei tohiks mõjutada elektronide spinni energiaid. Kuid sel juhul polariseerib aatomvõre kiraalne liikumine materjali sees olevad spinnid nii, nagu rakendataks suurt magnetvälja.

Zhu lisab, et selle efektiivse magnetvälja suurus on umbes 1 Tesla, mis teeb selle võrreldavaks tugevaimate püsimagnetite tekitatavaga.

Aatomite võre liikumise juhtimine

Teadlased kasutasid pöörlevat elektrivälja, et juhtida aatomite võre spiraalset liikumist. Nad tegid seda materjalis, mida nimetatakse tseeriumfluoriidiks, haruldaste muldmetallide trihalogeniidiks, mis on loomulikult paramagnetiline, mis tähendab, et selle elektronide spinnid on tavaliselt juhuslikult orienteeritud. Seejärel jälgisid nad materjali elektroonilist pöörlemist, kasutades sondina lühikest valgusimpulssi, süüdates pärast elektrivälja rakendamist valgust proovile erinevate viivitustega. Sondi valguse polarisatsioon muutub vastavalt pöörlemissuunale.

"Leidsime, et kui elektriväli oli kadunud, jätkasid aatomid pöörlemist ja elektrooniline spin muudkui nihkus, et joonduda aatomite pöörlemissuunaga," selgitab Zhu. "Kasutades elektronide ümberpööramiskiirust, saame arvutada nende kogetava efektiivse magnetvälja aja funktsioonina."

Arvutatud väli on kooskõlas sellega, mida oodatakse meeskonna juhitud aatomi liikumise ja spin-fononi sidumise mudelitest, ütleb Zhu Füüsika maailm. See sidumine on oluline selliste rakenduste puhul nagu andmete kirjutamine kõvakettale.

Teadlased leiavad "kadunud" nurkhoo

Zhu ütleb, et lisaks sellele, et nad heidavad uut valgust spin-fononi sidumisele, mida haruldaste muldmetallide halogeniidide puhul veel täielikult ei mõisteta, võivad need leiud võimaldada teadlastel välja töötada materjale, mida saab konstrueerida muude väliste väljade, näiteks valguse või kvantkõikumiste abil. "Ma olen mõelnud sellele võimalusele alates oma doktoriõppest UC Berkeleys, kui tegime esimesed ajaliselt lahendatud katsed, et kontrollida aatomite pöörlemist kahemõõtmelistes materjalides, " selgitab ta. "Selliseid pöörlevaid kiraalseid fonoonirežiime ennustati paar aastat tagasi ja sellest ajast peale mõtlesin pidevalt: kas kiraalset liikumist saab kasutada elektrooniliste materjalide juhtimiseks?"

Praegu rõhutab Zhu, et töö peamised rakendused on fundamentaaluuringutes. Siiski lisab ta, et "teoreetiliste uuringute abil võime pikemas perspektiivis kasutada aatomi pöörlemist "häälestusnupuna", et parandada aja ümberpööramist katkestavaid omadusi, mida harva leidub looduslikes materjalides, nagu topoloogiline ülijuhtivus. .

Rice'i teadlased, kes kirjeldavad oma praegust tööd teadus, loodavad nüüd rakendada nende meetodit teiste materjalide uurimiseks ja magnetiseerimisest kaugemate omaduste otsimiseks.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/