Fonon spiral mengubah bahan paramagnetik menjadi magnet – Dunia Fisika

Ketika kisi atom suatu material bergetar, ia menghasilkan partikel kuasi yang dikenal sebagai fonon, atau gelombang suara terkuantisasi. Pada material tertentu, menggetarkan kisi dalam pola pembuka botol akan membuat fonon-fonon ini menjadi kiral, yang berarti fonon tersebut mengambil “kewenangan” dari getaran yang menghasilkannya. Kini, para peneliti di Rice University di AS telah menemukan bahwa fonon kiral ini memiliki efek lebih lanjut: dapat membuat material menjadi magnetis. Temuan ini dapat digunakan untuk menginduksi sifat-sifat yang sulit ditemukan pada bahan alami.

Salah satu sifat yang sulit ditemukan adalah pelanggaran simetri pembalikan waktu elektron. Intinya, simetri pembalikan waktu menyiratkan bahwa elektron harus berperilaku sama terlepas dari apakah mereka bergerak maju atau mundur dalam suatu material. Cara paling umum untuk melanggar simetri ini adalah dengan menempatkan material dalam medan magnet, tetapi untuk beberapa kemungkinan penerapan, hal ini tidak praktis.

Sebelumnya, ada pemikiran bahwa atom bergerak terlalu sedikit dan terlalu lambat dalam kisi kristalnya sehingga mempengaruhi simetri pembalikan waktu elektron. Namun, dalam pekerjaan baru, tim Rice dipimpin oleh Hanyu Zhu menemukan bahwa ketika atom berputar pada posisi rata-ratanya dalam kisi dengan kecepatan sekitar 10 triliun putaran per detik, getaran berbentuk spiral yang dihasilkan – fonon kiral – mematahkan simetri pembalikan waktu elektron dan memberikan arah waktu yang diinginkan.

“Setiap elektron memiliki putaran magnet yang bertindak seperti jarum kompas kecil yang tertanam di dalam material, bereaksi terhadap medan magnet lokal,” jelas anggota tim. Boris Yakobson. “Khiralitas – juga disebut wenangan karena cara tangan kiri dan kanan mencerminkan satu sama lain tanpa menjadi superimposable – seharusnya tidak mempengaruhi energi putaran elektron. Namun dalam contoh ini, pergerakan kiral kisi atom mempolarisasi putaran di dalam material seolah-olah ada medan magnet besar yang diterapkan.”

Besarnya medan magnet efektif ini adalah sekitar 1 Tesla, tambah Zhu, sehingga sebanding dengan yang dihasilkan oleh magnet permanen terkuat.

Mendorong gerak kisi atom

Para peneliti menggunakan medan listrik yang berputar untuk menggerakkan gerakan kisi atom dalam pola spiral. Mereka melakukan ini pada bahan yang disebut cerium fluorida, trihalida tanah jarang yang secara alami bersifat paramagnetik, yang berarti putaran elektronnya biasanya berorientasi acak. Mereka kemudian memantau putaran elektronik dalam material menggunakan pulsa cahaya pendek sebagai probe, menembakkan cahaya ke sampel dengan penundaan waktu yang bervariasi setelah menerapkan medan listrik. Polarisasi cahaya probe berubah sesuai dengan arah putaran.

“Kami menemukan bahwa ketika medan listrik hilang, atom terus berputar dan putaran elektronik terus berputar agar sejajar dengan arah rotasi atom,” jelas Zhu. “Dengan menggunakan kecepatan balik elektron, kita dapat menghitung medan magnet efektif yang dialaminya sebagai fungsi waktu.”

Bidang yang dihitung sesuai dengan yang diharapkan dari model gerakan atom yang digerakkan dan kopling spin-phonon yang dilakukan tim, kata Zhu Dunia Fisika. Penggabungan ini penting dalam aplikasi seperti menulis data pada hard disk.

Para peneliti menemukan momentum sudut yang 'hilang'

Selain memberikan pencerahan baru pada kopling spin-fonon, yang masih belum sepenuhnya dipahami dalam halida tanah jarang, temuan ini dapat memungkinkan para ilmuwan untuk mengembangkan bahan yang dapat direkayasa oleh bidang eksternal lainnya seperti fluktuasi cahaya atau kuantum, kata Zhu. “Saya telah memikirkan kemungkinan ini sejak pasca doktoral saya di UC Berkeley, ketika kami melakukan eksperimen pertama yang berhasil memverifikasi rotasi atom dalam material dua dimensi,” jelasnya. “Mode rotasi fonon kiral seperti itu telah diprediksi beberapa tahun yang lalu dan sejak itu saya terus bertanya-tanya: dapatkah gerakan kiral digunakan untuk mengontrol materi elektronik?”

Untuk saat ini, Zhu menekankan bahwa penerapan utama penelitian ini terletak pada penelitian fundamental. Namun, ia menambahkan bahwa “dalam jangka panjang, dengan bantuan studi teoretis, kita mungkin dapat menggunakan rotasi atom sebagai 'tombol penyetel' untuk meningkatkan sifat-sifat yang mampu mengatasi pembalikan waktu dan jarang ditemukan pada bahan alami, seperti superkonduktivitas topologi” .

Para peneliti Rice, yang merinci pekerjaan mereka saat ini Ilmu, kini berharap dapat menerapkan metode mereka untuk mengeksplorasi material lain dan mencari sifat di luar magnetisasi.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/