나선형 포논은 상자성 물질을 자석으로 바꿉니다.

나선형 포논은 상자성 물질을 자석으로 바꿉니다.

타임 스탬프 : 15 년 2024 월 4 일 오전 00:XNUMX

원형 편광 테라헤르츠 광 펄스에 의해 자극된 키랄 포논에 대한 예술가의 인상
스핀 효과: 원형 편광 테라헤르츠 광 펄스에 의해 자극된 키랄 포논은 불화세륨에서 초고속 자화를 생성합니다. 불소 이온(빨간색, 자홍색)은 원형 편광 테라헤르츠 광 펄스(노란색 나선형)에 의해 움직이게 됩니다. 여기서 빨간색은 키랄 포논 모드에서 가장 큰 움직임을 보이는 이온을 나타냅니다. 세륨 이온은 청록색으로 표시됩니다. 나침반 바늘은 회전하는 원자에 의해 유도된 자화를 나타냅니다. (제공: Mario Norton 및 Jiaming Luo/Rice University)

물질의 원자 격자가 진동하면 포논, 즉 양자화된 음파로 알려진 준입자가 생성됩니다. 특정 재료에서는 코르크 마개 모양 패턴으로 격자를 진동시키면 이러한 포논이 키랄이 됩니다. 즉, 포논을 생성한 진동의 "손잡이"를 갖게 됩니다. 이제 미국 라이스대학교 연구진은 이러한 키랄 포논이 추가적인 효과를 갖는다는 사실을 발견했습니다. 즉, 물질을 자성체로 만들 수 있다는 것입니다. 이 발견은 자연적으로 발생하는 물질에서 찾기 어려운 특성을 유도하는 데 사용될 수 있습니다.

그러한 찾기 어려운 특성 중 하나는 전자의 시간 역전 대칭성 위반과 관련이 있습니다. 본질적으로 시간 역전 대칭은 전자가 물질 내에서 앞으로 이동하든 뒤로 이동하든 상관없이 동일하게 행동해야 함을 의미합니다. 이 대칭을 위반하는 가장 일반적인 방법은 재료를 자기장에 배치하는 것이지만 일부 가능한 응용 분야에서는 실용적이지 않습니다.

이전에는 원자가 결정 격자 내에서 너무 적게 움직이고 너무 느리게 움직여 전자의 시간 반전 대칭에 영향을 미칠 수 있다고 생각했습니다. 그러나 새로운 연구에서는 Rice 팀이 이끄는 주한유 원자가 초당 약 10조 회전의 속도로 격자의 평균 위치를 중심으로 회전할 때 결과로 발생하는 나선형 진동(키랄 포논)이 전자의 시간 역전 대칭을 깨고 선호하는 시간 방향을 제공한다는 사실을 발견했습니다.

"각 전자는 물질에 내장된 작은 나침반 바늘처럼 작용하는 자기 스핀을 갖고 있으며, 이는 국지적인 자기장에 반응합니다."라고 팀원은 설명합니다. 보리스 야콥슨. “키랄성(왼쪽 손과 오른쪽 손이 겹쳐지지 않고 서로 대칭을 이루는 방식 때문에 손 모양이라고도 함)은 전자 스핀 에너지에 영향을 주어서는 안 됩니다. 그러나 이 경우 원자 격자의 키랄 운동은 마치 큰 자기장이 적용된 것처럼 물질 내부의 스핀을 분극화시킵니다."

이 유효 자기장의 크기는 약 1테슬라라고 Zhu는 덧붙였습니다. 이는 가장 강력한 영구 자석이 생성하는 것과 비슷하다고 합니다.

원자 격자의 움직임을 유도

연구진은 나선형 패턴으로 원자 격자의 움직임을 유도하기 위해 회전 전기장을 사용했습니다. 그들은 자연적으로 상자성인 희토류 삼할로겐화물인 불화세륨이라는 물질을 사용하여 이 작업을 수행했습니다. 즉, 전자의 스핀이 일반적으로 무작위 방향으로 배열되어 있음을 의미합니다. 그런 다음 짧은 광 펄스를 프로브로 사용하여 물질의 전자 스핀을 모니터링하고 전기장을 적용한 후 다양한 시간 지연으로 샘플에 빛을 발사했습니다. 회전 방향에 따라 프로브 빛의 편광이 달라집니다.

Zhu는 “우리는 전기장이 사라진 후에도 원자가 계속 회전하고 전자 스핀이 원자의 회전 방향에 맞춰 계속 뒤집힌다는 사실을 발견했습니다.”라고 말했습니다. "전자의 뒤집기 속도를 사용하여 우리는 시간의 함수로 경험하는 유효 자기장을 계산할 수 있습니다."

계산된 필드는 팀의 구동 원자 운동 및 스핀-포논 결합 모델에서 예상된 것과 일치한다고 Zhu는 말했습니다. 물리 세계. 이러한 결합은 하드 디스크에 데이터를 쓰는 것과 같은 응용 프로그램에서 중요합니다.

희토류 할로겐화물에서 아직 완전히 이해되지 않은 스핀-포논 결합에 대한 새로운 사실을 밝힐 뿐만 아니라, 이번 발견은 과학자들이 빛이나 양자 변동과 같은 다른 외부 장에 의해 조작될 수 있는 물질을 개발할 수 있게 해줄 것이라고 Zhu는 말했습니다. “저는 UC Berkeley에서 박사후 연구원으로 일하면서 2차원 물질에서 원자의 회전을 확인하기 위해 처음으로 시간 분해 실험을 수행했을 때부터 이러한 가능성에 대해 생각해 왔습니다.”라고 그는 설명합니다. "이러한 회전 키랄 포논 모드는 몇 년 전에 예측되었으며 그 이후로 나는 계속 궁금해했습니다. 키랄 운동을 전자 재료를 제어하는 ​​데 사용할 수 있을까요?"

현재 Zhu는 이 작업의 주요 응용 분야가 기초 연구에 있다고 강조합니다. 그러나 그는 장기적으로 이론적 연구의 도움으로 원자 회전을 '조정 손잡이'로 사용하여 시간 반전을 깨는 특성을 향상시키고 위상학적 초전도성과 같은 천연 물질에서는 거의 발견되지 않는 특성을 향상시킬 수 있을 것이라고 덧붙였습니다. .

라이스 연구원들은 현재 연구를 자세히 설명하고 있습니다. 과학, 이제 다른 재료를 탐색하고 자화 이상의 특성을 찾기 위해 그들의 방법을 적용하기를 희망합니다.

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