פונונים ספירליים הופכים חומר פרמגנטי למגנט - עולם הפיזיקה

כאשר הסריג האטומי של החומר רוטט, הוא מייצר קוואזי-חלקיקים הידועים בשם פונונים, או גלי קול מקוונטים. בחומרים מסוימים, רטט של הסריג בתבנית חולץ פקקים תהפוך את הפונונים הללו לכיראליים, כלומר הם מקבלים על עצמם את ה"ידידות" של הרטט שיצר אותם. כעת, חוקרים מאוניברסיטת רייס בארה"ב גילו כי לפונונים הכיראליים הללו יש השפעה נוספת: הם יכולים להפוך את החומר למגנטי. ממצא זה יכול לשמש כדי לגרום לתכונות שקשה למצוא בחומרים המתרחשים באופן טבעי.

מאפיין אחד שכזה שקשה למצוא נוגע להפרות של סימטריית היפוך זמן של אלקטרונים. בעיקרו של דבר, סימטריה של היפוך זמן מרמזת שהאלקטרונים צריכים להתנהג אותו דבר ללא קשר אם הם נעים קדימה או אחורה בחומר. הדרך הנפוצה ביותר להפרת סימטריה זו היא למקם את החומר בשדה מגנטי, אך עבור יישומים אפשריים מסוימים, זה לא מעשי.

בעבר, החשיבה הייתה שאטומים נעים מעט מדי ולאט מדי בסריג הגביש שלהם כדי להשפיע על סימטריית היפוך הזמן של אלקטרונים. בעבודה החדשה, לעומת זאת, צוות רייס בראשות Hanyu Zhu גילה שכאשר אטומים מסתובבים סביב מיקומם הממוצע בסריג בקצב של כ-10 טריליון סיבובים בשנייה, הרעידות בצורת ספירלה שנוצרו - פונונים כיראליים - שוברות את סימטריית היפוך הזמן של האלקטרונים ונותנות להם כיוון זמן מועדף.

"לכל אלקטרון יש ספין מגנטי שפועל כמו מחט מצפן זעירה המוטבעת בחומר, המגיבה לשדה המגנטי המקומי", מסביר חבר הצוות בוריס יעקובסון. "כיראליות - הנקראת גם ידיות בגלל האופן שבו ידיים שמאליות וימין משקפות זו את זו מבלי להיות ניתנות להן על גבי - לא אמורה להשפיע על האנרגיות של הספין של האלקטרונים. אבל במקרה זה, התנועה הכיראלית של הסריג האטומי מקטבת את הספינים בתוך החומר כאילו הופעל שדה מגנטי גדול".

גודלו של השדה המגנטי היעיל הזה הוא בערך 1 טסלה, מוסיף ג'ו, מה שהופך אותו להשוואה לזה שמיוצרים על ידי המגנטים הקבועים החזקים ביותר.

הנעת תנועה של סריג של אטומים

החוקרים השתמשו בשדה חשמלי מסתובב כדי להניע את התנועה של סריג של אטומים בתבנית ספירלית. הם עשו זאת בחומר שנקרא cerium fluoride, trihalide של אדמה נדירה שהוא פרמגנטי באופן טבעי, כלומר הספינים של האלקטרונים שלו בדרך כלל מכוונים באופן אקראי. לאחר מכן, הם עקבו אחר הספין האלקטרוני בחומר באמצעות דופק אור קצר כבדיקה, ויורה את האור לעבר הדגימה בעיכובי זמן משתנים לאחר הפעלת השדה החשמלי. הקיטוב של אור הבדיקה משתנה בהתאם לכיוון הספין.

"מצאנו שכאשר השדה החשמלי נעלם, האטומים המשיכו להסתובב והספין האלקטרוני המשיך להתהפך כדי ליישר קו עם כיוון הסיבוב של האטומים", מסביר ג'ו. "באמצעות קצב ההיפוך של האלקטרונים, נוכל לחשב את השדה המגנטי היעיל שהם חווים כפונקציה של זמן."

השדה המחושב תואם את המצופה מהמודלים של הצוות של תנועה אטומית מונעת וצימוד ספין-פונון, אומר ג'ו. עולם הפיזיקה. צימוד זה חשוב ביישומים כגון כתיבת נתונים על דיסקים קשיחים.

חוקרים מוצאים מומנטום זוויתי 'אבוד'

בנוסף לשפוך אור חדש על צימוד ספין-פונון, שעדיין אינו מובן במלואו בהלידי אדמה נדירים, הממצאים יכולים לאפשר למדענים לפתח חומרים שניתן להנדס על ידי שדות חיצוניים אחרים כמו אור או תנודות קוונטיות, אומר ג'ו. "חשבתי על האפשרות הזו מאז הפוסט-דוקטורט שלי באוניברסיטת ברקלי, כאשר ביצענו את הניסויים הראשונים שנפתרו בזמן כדי לאמת את הסיבוב של אטומים בחומרים דו-ממדיים", הוא מסביר. "מצבי פונון כיראליים סיבוביים כאלה נחזו לפני כמה שנים ומאז תהיתי כל הזמן: האם ניתן להשתמש בתנועה הכיראלית כדי לשלוט בחומרים אלקטרוניים?"

לעת עתה, ג'ו מדגיש שהיישומים העיקריים של העבודה נעוצים במחקר יסודי. עם זאת, הוא מוסיף כי "בטווח הארוך, בעזרת מחקרים תיאורטיים, ייתכן שנוכל להשתמש בסיבוב אטומי בתור 'כפתור כוונון' כדי לשפר תכונות שבירות היפוך זמן ולעתים רחוקות נמצאות בחומרים טבעיים, כמו מוליכות-על טופולוגית" .

חוקרי רייס, המפרטים את עבודתם הנוכחית ב מדע, כעת מקווים ליישם את השיטה שלהם כדי לחקור חומרים אחרים ולחפש תכונות מעבר למגנטיזציה.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/