Spiraalvormige fononen veranderen een paramagnetisch materiaal in een magneet – Physics World

Wanneer het atoomrooster van een materiaal trilt, produceert het quasideeltjes die bekend staan ​​als fononen of gekwantiseerde geluidsgolven. In bepaalde materialen zorgt het trillen van het rooster in een kurkentrekkerpatroon ervoor dat deze fononen chiraal worden, wat betekent dat ze de ‘handigheid’ aannemen van de vibratie die ze produceerde. Nu hebben onderzoekers van de Rice University in de VS ontdekt dat deze chirale fononen nog een ander effect hebben: ze kunnen het materiaal magnetisch maken. Deze bevinding zou kunnen worden gebruikt om eigenschappen te induceren die moeilijk te vinden zijn in natuurlijk voorkomende materialen.

Een van die moeilijk te vinden eigenschappen betreft schendingen van de tijdomkeersymmetrie van elektronen. In wezen impliceert tijdomkeersymmetrie dat elektronen zich hetzelfde moeten gedragen, ongeacht of ze voorwaarts of achterwaarts bewegen in een materiaal. De meest voorkomende manier om deze symmetrie te schenden is door het materiaal in een magnetisch veld te plaatsen, maar voor sommige mogelijke toepassingen is dit niet praktisch.

Vroeger werd gedacht dat atomen te weinig en te langzaam bewegen in hun kristalrooster om de tijdomkeersymmetrie van elektronen te beïnvloeden. Bij het nieuwe werk wordt echter een Rice-team geleid door Hanyu Zhu ontdekte dat wanneer atomen rond hun gemiddelde posities in het rooster roteren met een snelheid van ongeveer 10 biljoen omwentelingen per seconde, de resulterende spiraalvormige trillingen – chirale fononen – de tijdomkeersymmetrie van de elektronen verbreken en ze een voorkeursrichting geven.

“Elk elektron bezit een magnetische spin die werkt als een kleine kompasnaald die in het materiaal is ingebed en reageert op het lokale magnetische veld”, legt teamlid uit. Boris Yakobson. “Chiraliteit – ook wel handigheid genoemd vanwege de manier waarop de linker- en rechterhand elkaar spiegelen zonder over elkaar heen te leggen – zou de energieën van de rotatie van de elektronen niet moeten beïnvloeden. Maar in dit geval polariseert de chirale beweging van het atoomrooster de spins in het materiaal alsof er een groot magnetisch veld wordt aangelegd.”

De omvang van dit effectieve magnetische veld is ongeveer 1 Tesla, voegt Zhu eraan toe, waardoor het vergelijkbaar is met dat van de sterkste permanente magneten.

Het besturen van de beweging van een rooster van atomen

De onderzoekers gebruikten een roterend elektrisch veld om de beweging van een rooster van atomen in een spiraalvormig patroon aan te drijven. Ze deden dit in een materiaal genaamd ceriumfluoride, een zeldzame aardtrihalogenide dat van nature paramagnetisch is, wat betekent dat de spins van de elektronen normaal gesproken willekeurig georiënteerd zijn. Vervolgens volgden ze de elektronische spin in het materiaal met behulp van een korte lichtpuls als sonde, waarbij ze het licht met verschillende tijdsvertragingen op het monster afvuurden nadat het elektrische veld was aangelegd. De polarisatie van het sondelicht verandert afhankelijk van de draairichting.

“We ontdekten dat toen het elektrische veld weg was, de atomen bleven roteren en dat de elektronische spin bleef draaien om zich aan te passen aan de rotatierichting van de atomen”, legt Zhu uit. “Met behulp van de snelheid waarmee de elektronen omdraaien, kunnen we het effectieve magnetische veld berekenen dat ze ervaren als functie van de tijd.”

Het berekende veld komt overeen met wat wordt verwacht van de modellen van het team van aangedreven atomaire beweging en spin-fononkoppeling, vertelt Zhu. Natuurkunde wereld. Deze koppeling is belangrijk bij toepassingen zoals het schrijven van gegevens op harde schijven.

Onderzoekers vinden 'verloren' impulsmoment

De bevindingen werpen niet alleen nieuw licht op de spin-fonon-koppeling, die nog steeds niet volledig wordt begrepen in zeldzame aardhalogeniden, maar kunnen wetenschappers ook in staat stellen materialen te ontwikkelen die kunnen worden ontwikkeld door andere externe velden, zoals licht of kwantumfluctuaties, zegt Zhu. “Ik heb over deze mogelijkheid nagedacht sinds mijn postdoc aan UC Berkeley, toen we de eerste tijdsopgeloste experimenten uitvoerden om de rotatie van atomen in tweedimensionale materialen te verifiëren”, legt hij uit. “Dergelijke roterende chirale fononmodi werden een paar jaar geleden voorspeld en sindsdien bleef ik me afvragen: zou de chirale beweging gebruikt kunnen worden om elektronische materialen te besturen?”

Voorlopig benadrukt Zhu dat de belangrijkste toepassingen van het werk liggen in fundamenteel onderzoek. Hij voegt er echter aan toe dat “we op de lange termijn, met behulp van theoretische studies, atomaire rotatie kunnen gebruiken als een ‘afstemknop’ om eigenschappen te verbeteren die tijdomkering doorbreken en die zelden voorkomen in natuurlijke materialen, zoals topologische supergeleiding.” .

De Rice-onderzoekers, die hun huidige werk beschrijven in Wetenschap, hopen nu hun methode toe te passen om andere materialen te onderzoeken en te zoeken naar eigenschappen die verder gaan dan magnetisatie.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/