らせん状のフォノンが常磁性体を磁石に変える – Physics World

材料の原子格子が振動すると、フォノン、または量子化された音波として知られる準粒子が生成されます。特定の材料では、コルク栓抜きパターンで格子を振動させると、これらのフォノンがキラルになり、フォノンが生成された振動の「利き手」を持つことになります。今回、米国のライス大学の研究者らは、これらのキラルフォノンにはさらなる効果があることを発見しました。つまり、材料を磁性にすることができるということです。この発見は、天然の材料では見つけるのが難しい特性を誘導するために使用できる可能性があります。

このような見つけにくい特性の 1 つは、電子の時間反転対称性の違反に関するものです。本質的に、時間反転対称性は、電子が物質内で前方に移動しているか後方に移動しているかに関係なく、同じように振る舞うべきであることを意味します。この対称性を破る最も一般的な方法は、材料を磁場の中に置くことですが、考えられる用途によってはこれは現実的ではありません。

以前は、結晶格子内での原子の移動量が少なすぎるため、電子の時間反転対称性に影響を与えるには遅すぎると考えられていました。しかし、新作では、ライスチームが率いる 羽生朱 原子が毎秒約 10 兆回転の速度で格子内の平均位置の周りを回転すると、その結果生じる螺旋状の振動 (キラル フォノン) が電子の時間反転対称性を破り、電子に優先的な時間方向を与えることを発見しました。

「各電子は磁気スピンを持っており、材料に埋め込まれた小さなコンパスの針のように機能し、局所的な磁場に反応します」とチームメンバーは説明します。 ボリス・ヤコブソン。 「キラリティー（左手と右手が重ね合わせられずに互いに鏡映し合う様子から利き手とも呼ばれる）は、電子のスピンのエネルギーに影響を与えるべきではありません。しかしこの場合、原子格子のカイラル運動により、あたかも大きな磁場が適用されたかのように、材料内のスピンが偏極します。」

この有効磁場の大きさは約 1 テスラであり、最も強力な永久磁石によって生成される磁場に匹敵すると Zhu 氏は付け加えています。

原子格子の運動を駆動する

研究者らは、回転電場を使用して原子格子をらせん状に運動させた。彼らはこれをフッ化セリウムと呼ばれる材料で行いました。フッ化セリウムは、自然に常磁性を持つ希土類の三ハロゲン化物であり、電子のスピンが通常はランダムな方向を向いていることを意味します。次に、短い光パルスをプローブとして使用し、電場を印加した後にさまざまな時間遅延を与えてサンプルに光を照射し、材料内の電子スピンを監視しました。プローブ光の偏光はスピンの方向に応じて変化します。

「電場がなくなっても、原子は回転し続け、電子スピンは原子の回転方向に合わせて反転し続けることがわかりました」と Zhu 氏は説明します。 「電子の反転速度を使用すると、電子が経験する有効磁場を時間の関数として計算できます。」

計算された磁場は、駆動された原子運動とスピンフォノン結合に関するチームのモデルから予想されるものと一致すると、Zhu 氏は語った。 物理学の世界。この結合は、ハードディスクへのデータの書き込みなどのアプリケーションで重要です。

研究者は「失われた」角運動量を見つける

この発見は、希土類ハロゲン化物ではまだ完全に理解されていないスピンフォノン結合に新たな光を当てるだけでなく、この発見により、科学者は光や量子ゆらぎなどの他の外部場によって操作できる材料を開発できる可能性があるとZhu氏は述べている。 「カリフォルニア大学バークレー校の博士研究員時代、二次元材料内の原子の回転を検証するために初めて時間分解実験を行ったときから、私はこの可能性について考えてきました。」と彼は説明します。 「このような回転カイラルフォノンモードは数年前に予測されており、それ以来私は疑問に思い続けていました。カイラル運動を電子材料の制御に利用できるだろうか?」

今のところ、Zhu 氏は、この研究の主な用途は基礎研究にあると強調しています。しかし、「長期的には、理論研究の助けを借りて、原子の回転を『調整ノブ』として使用して、トポロジカル超伝導のような時間反転を打ち破り、天然物質ではめったに見られない特性を強化できるかもしれない」と付け加えた。 。

ライスの研究者らは、現在の研究について詳しく述べています。 科学らは現在、その方法を他の材料の探索に応用し、磁化を超えた特性を探したいと考えています。

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