A spirális fononok egy paramágneses anyagot mágnessé változtatnak – Fizika világa

Amikor egy anyag atomrácsa rezeg, kvázi részecskéket állít elő, amelyeket fononoknak vagy kvantált hanghullámoknak neveznek. Bizonyos anyagokban a rács dugóhúzós mintázatú rezgése királissá teszi ezeket a fononokat, ami azt jelenti, hogy átveszik az őket előidéző ​​vibráció „kezességét”. Az amerikai Rice Egyetem kutatói most azt találták, hogy ezek a királis fononok további hatást fejtenek ki: mágnesessé tehetik az anyagot. Ez a megállapítás felhasználható olyan tulajdonságok indukálására, amelyeket a természetben előforduló anyagokban nehéz megtalálni.

Az egyik ilyen nehezen fellelhető tulajdonság az elektronok idő-visszafordítási szimmetriájának megsértésére vonatkozik. Lényegében az idő-visszafordítási szimmetria azt jelenti, hogy az elektronoknak ugyanúgy kell viselkedniük, függetlenül attól, hogy előre vagy hátra mozognak az anyagban. A szimmetria megsértésének legáltalánosabb módja az, hogy az anyagot mágneses térbe helyezzük, de egyes lehetséges alkalmazásoknál ez nem praktikus.

Korábban úgy gondolták, hogy az atomok túl keveset és túl lassan mozognak a kristályrácsukban ahhoz, hogy befolyásolják az elektronok idő-visszafordulási szimmetriáját. Az új műben azonban egy Rice csapat vezette Hanyu Zhu azt találta, hogy amikor az atomok átlagos pozíciójuk körül a rácsban körülbelül 10 billió fordulat/másodperc sebességgel forognak, a létrejövő spirál alakú rezgések – királis fononok – megtörik az elektronok idő-visszafordítási szimmetriáját, és előnyben részesített időirányt adnak nekik.

"Minden elektronnak van egy mágneses spinje, amely úgy működik, mint egy apró iránytű, amely az anyagba van ágyazva, és reagál a helyi mágneses térre" - magyarázza a csapat tagja. Borisz Jakobson. „A kiralitás – amelyet kéznek is neveznek, mert a bal és a jobb kéz tükrözi egymást anélkül, hogy egymásra rakható lenne – nem szabad, hogy befolyásolja az elektronok spinjének energiáit. De ebben az esetben az atomrács királis mozgása polarizálja az anyag belsejében lévő spineket, mintha nagy mágneses mezőt alkalmaznának.

Ennek a hatásos mágneses térnek a nagysága körülbelül 1 Tesla, teszi hozzá Zhu, így összehasonlítható a legerősebb állandó mágnesek által keltett térrel.

Az atomrács mozgásának irányítása

A kutatók forgó elektromos mező segítségével hajtották végre az atomrács spirális mintázatú mozgását. Ezt a cérium-fluorid nevű anyagban tették, egy ritkaföldfém-trihalogenidben, amely természetesen paramágneses, vagyis az elektronjainak spinjei általában véletlenszerűen orientáltak. Ezután egy rövid fényimpulzussal szondaként figyelték az anyagban az elektronikus spint, és az elektromos tér alkalmazása után változó késleltetésekkel gyújtották rá a fényt a mintára. A szonda fényének polarizációja a forgásiránynak megfelelően változik.

„Azt találtuk, hogy amikor az elektromos tér megszűnt, az atomok tovább forogtak, és az elektronikus spin folyamatosan ingadozott, hogy igazodjon az atomok forgási irányához” – magyarázza Zhu. "Az elektronok átbillenési sebességével kiszámíthatjuk az általuk tapasztalt effektív mágneses teret az idő függvényében."

A számított mező megegyezik azzal, amit a csapat hajtott atommozgási és spin-fononcsatolási modelljeitől vártak, mondja Zhu Fizika Világa. Ez a csatolás olyan alkalmazásokban fontos, mint például az adatok merevlemezre írása.

A kutatók „elveszett” szögimpulzusokat találtak

Amellett, hogy új megvilágításba helyezik a ritkaföldfém-halogenideknél még mindig nem teljesen tisztázott spin-fonon csatolást, az eredmények lehetővé tehetik a tudósok számára olyan anyagok kifejlesztését, amelyek más külső terekkel, például fény- vagy kvantumfluktuációkkal is megtervezhetők, mondja Zhu. „A Berkeley Egyetemen végzett posztdoktori tanulmányaim óta gondolkodom ezen a lehetőségen, amikor is elvégeztük az első időfelbontású kísérleteket az atomok forgásának igazolására kétdimenziós anyagokban” – magyarázza. „Az ilyen forgó királis fononmódokat néhány évvel ezelőtt jósolták, és azóta folyamatosan azon töprengtem: vajon a királis mozgást felhasználható-e elektronikus anyagok szabályozására?”

Zhu egyelőre hangsúlyozza, hogy a munka fő alkalmazásai az alapkutatásban rejlenek. Ugyanakkor hozzáteszi, hogy „hosszú távon elméleti tanulmányok segítségével az atomi forgatást „hangológombként” használhatjuk, hogy javítsuk a természetes anyagokban ritkán előforduló idő-visszafordítást megszakító tulajdonságokat, például a topológiai szupravezetést. .

A Rice kutatói, akik részletezik jelenlegi munkájukat Tudomány, most azt remélik, hogy módszerüket más anyagok feltárására és a mágnesezésen túlmutató tulajdonságokra is alkalmazhatják.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/