Les phonons en spirale transforment un matériau paramagnétique en aimant – Physics World

Lorsque le réseau atomique d’un matériau vibre, il produit des quasi-particules appelées phonons ou ondes sonores quantifiées. Dans certains matériaux, la vibration du réseau selon un motif en tire-bouchon rendra ces phonons chiraux, ce qui signifie qu’ils prendront la « main » de la vibration qui les a produits. Des chercheurs de l’Université Rice aux États-Unis ont découvert que ces phonons chiraux ont un autre effet : ils peuvent rendre le matériau magnétique. Cette découverte pourrait être utilisée pour induire des propriétés difficiles à trouver dans les matériaux naturels.

L’une de ces propriétés difficiles à trouver concerne les violations de la symétrie d’inversion temporelle des électrons. Essentiellement, la symétrie d’inversion du temps implique que les électrons doivent se comporter de la même manière, qu’ils avancent ou reculent dans un matériau. La manière la plus courante de violer cette symétrie consiste à placer le matériau dans un champ magnétique, mais pour certaines applications possibles, cela n’est pas pratique.

Auparavant, on pensait que les atomes se déplaçaient trop peu et trop lentement dans leur réseau cristallin pour affecter la symétrie d’inversion temporelle des électrons. Cependant, dans le nouveau travail, une équipe de Rice dirigée par Hanyu Zhu ont découvert que lorsque les atomes tournent autour de leur position moyenne dans le réseau à une vitesse d’environ 10 XNUMX milliards de tours par seconde, les vibrations en forme de spirale qui en résultent – ​​les phonons chiraux – brisent la symétrie d’inversion temporelle des électrons et leur donnent une direction temporelle privilégiée.

"Chaque électron possède un spin magnétique qui agit comme une petite aiguille de boussole incrustée dans le matériau, réagissant au champ magnétique local", explique un membre de l'équipe. Boris Yakobson. « La chiralité – également appelée « mainté » en raison de la façon dont les mains gauche et droite se reflètent sans être superposables – ne devrait pas affecter les énergies de spin des électrons. Mais dans ce cas, le mouvement chiral du réseau atomique polarise les spins à l’intérieur du matériau comme si un grand champ magnétique était appliqué.

La magnitude de ce champ magnétique effectif est d'environ 1 Tesla, ajoute Zhu, ce qui le rend comparable à celui produit par les aimants permanents les plus puissants.

Piloter le mouvement d'un réseau d'atomes

Les chercheurs ont utilisé un champ électrique rotatif pour entraîner le mouvement d’un réseau d’atomes selon un motif en spirale. Ils l’ont fait dans un matériau appelé fluorure de cérium, un trihalogénure de terre rare naturellement paramagnétique, ce qui signifie que les spins de ses électrons sont normalement orientés de manière aléatoire. Ils ont ensuite surveillé le spin électronique dans le matériau en utilisant une courte impulsion lumineuse comme sonde, envoyant la lumière sur l'échantillon avec des délais variables après l'application du champ électrique. La polarisation de la lumière de la sonde change en fonction de la direction de rotation.

"Nous avons constaté que lorsque le champ électrique disparaissait, les atomes continuaient à tourner et le spin électronique continuait à s'inverser pour s'aligner sur le sens de rotation des atomes", explique Zhu. "En utilisant le taux de retournement des électrons, nous pouvons calculer le champ magnétique effectif qu'ils subissent en fonction du temps."

Le champ calculé est conforme à celui attendu des modèles de mouvement atomique piloté et de couplage spin-phonon de l’équipe, explique Zhu. Monde de la physique. Ce couplage est important dans des applications telles que l'écriture de données sur des disques durs.

Des chercheurs découvrent un moment cinétique "perdu"

En plus d'apporter un nouvel éclairage sur le couplage spin-phonon, qui n'est pas encore entièrement compris dans les halogénures de terres rares, les résultats pourraient permettre aux scientifiques de développer des matériaux pouvant être modifiés par d'autres champs externes tels que la lumière ou les fluctuations quantiques, explique Zhu. "Je réfléchis à cette possibilité depuis mon post-doctorat à l'UC Berkeley, lorsque nous avons réalisé les premières expériences résolues en temps pour vérifier la rotation des atomes dans des matériaux bidimensionnels", explique-t-il. "De tels modes de phonons chiraux en rotation ont été prédits il y a quelques années et depuis lors, je n'ai cessé de me demander : le mouvement chiral pourrait-il être utilisé pour contrôler les matériaux électroniques ?"

Pour l’instant, Zhu souligne que les principales applications de ces travaux résident dans la recherche fondamentale. Cependant, il ajoute qu'« à long terme, avec l'aide d'études théoriques, nous pourrons peut-être utiliser la rotation atomique comme « bouton de réglage » pour améliorer les propriétés qui brisent l'inversion du temps et que l'on trouve rarement dans les matériaux naturels, comme la supraconductivité topologique. » .

Les chercheurs de Rice, qui détaillent leurs travaux actuels dans Sciences, espèrent désormais appliquer leur méthode pour explorer d’autres matériaux et rechercher des propriétés au-delà de la magnétisation.

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