Spiralfononer gjør et paramagnetisk materiale til en magnet – Physics World

Spiralfononer gjør et paramagnetisk materiale til en magnet – Physics World

Tidsstempel: 15. januar 2024 4:00

Kunstnerens inntrykk av kirale fononer begeistret av sirkulært polariserte terahertz-lyspulser
Spinneffekter: Kirale fononer som begeistres av de sirkulært polariserte terahertz-lyspulsene genererer ultrarask magnetisering i ceriumfluorid. Fluorioner (røde, fuksia) settes i bevegelse av sirkulært polariserte terahertz-lyspulser (gul spiral), der rødt angir ionene med størst bevegelse i kiral fononmodus. Ceriumionet er representert i blågrønn. Kompassnålen representerer magnetiseringen indusert av de roterende atomene. (Med tillatelse: Mario Norton og Jiaming Luo/Rice University)

Når et materiales atomgitter vibrerer, produserer det kvasipartikler kjent som fononer, eller kvantiserte lydbølger. I visse materialer vil vibrering av gitteret i et korketrekkermønster gjøre disse fononene chirale, noe som betyr at de tar på seg "håndheten" til vibrasjonen som produserte dem. Nå har forskere ved Rice University i USA funnet ut at disse chirale fononene har en ytterligere effekt: de kan gjøre materialet magnetisk. Dette funnet kan brukes til å indusere egenskaper som er vanskelige å finne i naturlig forekommende materialer.

En slik vanskelig å finne egenskap gjelder brudd på elektronenes tidsreverseringssymmetri. I hovedsak innebærer tidsreverseringssymmetri at elektroner skal oppføre seg likt uavhengig av om de beveger seg fremover eller bakover i et materiale. Den vanligste måten å bryte denne symmetrien på er å plassere materialet i et magnetfelt, men for noen mulige bruksområder er dette ikke praktisk.

Tidligere var tanken at atomer beveger seg for lite og for sakte i krystallgitteret til å påvirke elektronenes tidsreverseringssymmetri. I det nye verket har imidlertid et Rice-team ledet av Hanyu Zhu fant at når atomer roterer rundt sine gjennomsnittlige posisjoner i gitteret med en hastighet på omtrent 10 billioner omdreininger per sekund, bryter de resulterende spiralformede vibrasjonene – kirale fononer – elektronenes tidsreverseringssymmetri og gir dem en foretrukket tidsretning.

"Hvert elektron har et magnetisk spinn som fungerer som en liten kompassnål innebygd i materialet, og reagerer på det lokale magnetfeltet," forklarer teammedlem Boris Yakobson. «Kiralitet – også kalt handedness på grunn av måten venstre og høyre hender speiler hverandre uten å kunne legges over hverandre – bør ikke påvirke energiene til elektronenes spinn. Men i dette tilfellet polariserer den kirale bevegelsen til atomgitteret spinnene inne i materialet som om et stort magnetfelt ble brukt."

Størrelsen på dette effektive magnetfeltet er omtrent 1 Tesla, legger Zhu til, noe som gjør det sammenlignbart med det som produseres av de sterkeste permanentmagnetene.

Driver bevegelsen til et gitter av atomer

Forskerne brukte et roterende elektrisk felt for å drive bevegelsen til et gitter av atomer i et spiralmønster. De gjorde dette i et materiale kalt ceriumfluorid, et sjeldne jordarts-trihalogenid som er naturlig paramagnetisk, noe som betyr at spinnene til elektronene normalt er tilfeldig orientert. De overvåket deretter det elektroniske spinnet i materialet ved å bruke en kort lyspuls som en sonde, og skyte lyset mot prøven med varierende tidsforsinkelser etter påføring av det elektriske feltet. Polarisasjonen til sondelyset endres i henhold til spinnretningen.

"Vi fant ut at når det elektriske feltet var borte, fortsatte atomene å rotere og det elektroniske spinnet fortsatte å snu for å tilpasses rotasjonsretningen til atomene," forklarer Zhu. "Ved å bruke vippehastigheten til elektronene kan vi beregne det effektive magnetfeltet de opplever som en funksjon av tid."

Det beregnede feltet stemmer overens med det som forventes fra teamets modeller for drevet atombevegelse og spin-fonon-kobling, forteller Zhu Fysikkens verden. Denne koblingen er viktig i applikasjoner som å skrive data på harddisker.

I tillegg til å kaste nytt lys på spin-fonon-kobling, som fortsatt ikke er fullt ut forstått i sjeldne jordartshalider, kan funnene gjøre det mulig for forskere å utvikle materialer som kan konstrueres av andre eksterne felt som lys eller kvantesvingninger, sier Zhu. "Jeg har tenkt på denne muligheten siden min postdoktor ved UC Berkeley, da vi utførte de første tidsløste eksperimentene for å verifisere rotasjonen av atomer i todimensjonale materialer," forklarer han. "Slike roterende kirale fononmoduser ble spådd for noen år tilbake, og siden den gang har jeg lurt på: kan den kirale bevegelsen brukes til å kontrollere elektroniske materialer?"

Foreløpig understreker Zhu at arbeidets hovedanvendelser ligger i grunnleggende forskning. Imidlertid legger han til at "på lang sikt, ved hjelp av teoretiske studier, kan vi være i stand til å bruke atomrotasjon som en "innstillingsknapp" for å forbedre egenskaper som bryter tidsreversering og sjelden finnes i naturlige materialer, som topologisk superledning. .

Rice-forskerne, som beskriver deres nåværende arbeid i Vitenskap, håper nå å bruke metoden deres for å utforske andre materialer og se etter egenskaper utover magnetisering.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden