Spiraaliset fononit muuttavat paramagneettisen materiaalin magneetiksi – Physics World

Kun materiaalin atomihila värähtelee, se tuottaa kvasihiukkasia, jotka tunnetaan nimellä fononeja tai kvantisoituja ääniaaltoja. Tietyissä materiaaleissa hilan värähtely korkkiruuvikuviolla tekee näistä fononeista kiraalisia, mikä tarkoittaa, että ne ottavat ne tuottaneen värähtelyn "kätisyys". Nyt yhdysvaltalaisen Ricen yliopiston tutkijat ovat havainneet, että näillä kiraalisilla fononeilla on lisävaikutus: ne voivat tehdä materiaalista magneettista. Tämän löydön avulla voitaisiin saada aikaan ominaisuuksia, joita on vaikea löytää luonnossa esiintyvistä materiaaleista.

Yksi tällainen vaikeasti löydettävä ominaisuus koskee elektronien ajan käänteisen symmetrian rikkomuksia. Pohjimmiltaan ajan käänteinen symmetria tarkoittaa, että elektronien tulisi käyttäytyä samalla tavalla riippumatta siitä, liikkuvatko ne eteenpäin vai taaksepäin materiaalissa. Yleisin tapa rikkoa tätä symmetriaa on sijoittaa materiaali magneettikenttään, mutta joissakin mahdollisissa sovelluksissa tämä ei ole käytännöllistä.

Aikaisemmin ajateltiin, että atomit liikkuvat liian vähän ja liian hitaasti kidehilassaan vaikuttaakseen elektronien ajan käänteissymmetriaan. Uudessa työssä kuitenkin Rice-tiimi johti Hanyu Zhu havaitsi, että kun atomit pyörivät keskimääräisten sijaintiensa ympäri hilassa nopeudella noin 10 biljoonaa kierrosta sekunnissa, tuloksena olevat spiraalin muotoiset värähtelyt – kiraaliset fononit – rikkovat elektronien ajan käänteisen symmetrian ja antavat niille ensisijaisen ajan suunnan.

"Jokaisella elektronilla on magneettinen spin, joka toimii kuin pieni kompassin neula materiaaliin upotettuna ja reagoi paikalliseen magneettikenttään", kertoo tiimin jäsen. Boris Yakobson. "Kiraalisuuden – jota kutsutaan myös kätisyydeksi, koska vasen ja oikea käsi peilaavat toisiaan olematta päällekkäisiä - ei saisi vaikuttaa elektronien spinin energioihin. Mutta tässä tapauksessa atomihilan kiraalinen liike polarisoi spinit materiaalin sisällä ikään kuin suuri magneettikenttä käytettäisiin."

Tämän tehokkaan magneettikentän voimakkuus on noin 1 Tesla, Zhu lisää, mikä tekee siitä verrattavissa voimakkaimpien kestomagneettien tuottamaan magneettikenttään.

Atomien hilan liikkeen ohjaaminen

Tutkijat käyttivät pyörivää sähkökenttää atomihilan liikkeen ohjaamiseen spiraalimaisesti. He tekivät tämän materiaalissa, jota kutsutaan seriumfluoridiksi, harvinaisen maametallin trihalogenidiksi, joka on luonnostaan ​​paramagneettinen, mikä tarkoittaa, että sen elektronien spinit ovat normaalisti satunnaisesti suunnattuja. Sitten he tarkkailivat materiaalin elektronista pyörimistä käyttämällä lyhyttä valopulssia anturina ja sytyttivät valoa näytteeseen vaihtelevilla aikaviiveillä sähkökentän käyttöönoton jälkeen. Anturin valon polarisaatio muuttuu pyörimissuunnan mukaan.

"Huomasimme, että kun sähkökenttä oli kadonnut, atomit jatkoivat pyörimistä ja elektroninen pyöriminen käänsi jatkuvasti linjassa atomien pyörimissuunnan kanssa", selittää Zhu. "Käyttäen elektronien kääntönopeutta voimme laskea niiden kokeman tehokkaan magneettikentän ajan funktiona."

Laskettu kenttä on yhtäpitävä sen kanssa, jota odotetaan tiimin ajetun atomiliikkeen ja spin-fononikytkennän malleista, Zhu kertoo. Fysiikan maailma. Tämä kytkentä on tärkeä sovelluksissa, kuten tietojen kirjoittamisessa kiintolevyille.

Tutkijat löytävät "kadonneen" kulmamomentin

Sen lisäksi, että havainnot tuovat uutta valoa spin-fononikytkennälle, jota ei vielä täysin ymmärretä harvinaisissa maametallien halogenideissa, löydökset voivat antaa tutkijoille mahdollisuuden kehittää materiaaleja, joita voidaan kehittää muilla ulkoisilla kentillä, kuten valo- tai kvanttivaihteluilla, Zhu sanoo. "Olen ajatellut tätä mahdollisuutta UC Berkeleyssä tekemästäni postdocista lähtien, jolloin teimme ensimmäiset aikaratkaistut kokeet varmistaaksemme atomien pyörimisen kaksiulotteisissa materiaaleissa", hän selittää. "Tällaisia ​​pyöriviä kiraalisia fononimuotoja ennustettiin muutama vuosi sitten, ja siitä lähtien olen miettinyt: voisiko kiraalista liikettä käyttää elektronisten materiaalien ohjaamiseen?"

Toistaiseksi Zhu korostaa, että teoksen pääsovellukset ovat perustutkimuksessa. Hän kuitenkin lisää, että "teoreettisten tutkimusten avulla voimme pitkällä aikavälillä käyttää atomikiertoa 'viritysnupina' parantamaan ominaisuuksia, jotka rikkovat ajan käännöksen ja joita harvoin esiintyy luonnonmateriaaleissa, kuten topologinen suprajohtavuus." .

Rice-tutkijat, jotka kuvaavat nykyistä työtään tiede, toivovat nyt soveltavansa menetelmäään muiden materiaalien tutkimiseen ja magnetisoinnin ulkopuolisten ominaisuuksien etsimiseen.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/