Spiralne fonony zamieniają materiał paramagnetyczny w magnes – Świat Fizyki

Kiedy siatka atomowa materiału wibruje, powstają kwazicząstki zwane fononami, czyli skwantowanymi falami dźwiękowymi. W przypadku niektórych materiałów wibrowanie siatki w kształcie korkociągu spowoduje, że fonony będą chiralne, co oznacza, że ​​przejmą one „sterowność” wibracji, która je wytworzyła. Teraz naukowcy z Rice University w USA odkryli, że te chiralne fonony mają dalszy efekt: mogą nadać materiałowi właściwości magnetyczne. Odkrycie to można wykorzystać do uzyskania właściwości trudnych do znalezienia w materiałach występujących naturalnie.

Jedna z takich trudnych do znalezienia właściwości dotyczy naruszenia symetrii odwrócenia czasu elektronów. Zasadniczo symetria odwrócenia czasu oznacza, że ​​elektrony powinny zachowywać się tak samo niezależnie od tego, czy poruszają się w materiale do przodu, czy do tyłu. Najczęstszym sposobem naruszenia tej symetrii jest umieszczenie materiału w polu magnetycznym, ale w niektórych możliwych zastosowaniach jest to niepraktyczne.

Wcześniej sądzono, że atomy poruszają się zbyt mało i zbyt wolno w swojej sieci krystalicznej, aby wpłynąć na symetrię odwrócenia czasu elektronów. W nowym dziele natomiast zespół Rice pod przewodnictwem Hanyu Zhu odkryli, że gdy atomy obracają się wokół swoich średnich pozycji w sieci z szybkością około 10 bilionów obrotów na sekundę, powstałe w ten sposób drgania w kształcie spirali – chiralne fonony – łamią symetrię odwrócenia czasu elektronów i nadają im preferowany kierunek czasu.

„Każdy elektron ma spin magnetyczny, który działa jak maleńka igła kompasu osadzona w materiale i reaguje na lokalne pole magnetyczne” – wyjaśnia członek zespołu Borys Jakobson. „Chiralność – zwana także ręcznością ze względu na sposób, w jaki lewa i prawa ręka odzwierciedlają się nawzajem, nie dając się nałożyć na siebie – nie powinna wpływać na energie spinu elektronów. Ale w tym przypadku chiralny ruch sieci atomowej polaryzuje spiny wewnątrz materiału, tak jakby przyłożono duże pole magnetyczne”.

Wielkość tego efektywnego pola magnetycznego wynosi około 1 Tesli, dodaje Zhu, co czyni ją porównywalną z tą wytwarzaną przez najsilniejsze magnesy trwałe.

Sterowanie ruchem siatki atomów

Naukowcy wykorzystali wirujące pole elektryczne do napędzania ruchu siatki atomów po spirali. Dokonali tego przy użyciu materiału zwanego fluorkiem ceru, trihalogenku pierwiastka ziem rzadkich, który jest naturalnie paramagnetyczny, co oznacza, że ​​spiny jego elektronów są zwykle zorientowane losowo. Następnie monitorowali spin elektroniczny w materiale, używając krótkiego impulsu świetlnego jako sondy, wysyłając światło na próbkę z różnymi opóźnieniami czasowymi po przyłożeniu pola elektrycznego. Polaryzacja światła sondy zmienia się w zależności od kierunku wirowania.

„Odkryliśmy, że po zaniku pola elektrycznego atomy nadal się obracały, a spin elektronów zmieniał się, dostosowując się do kierunku obrotu atomów” – wyjaśnia Zhu. „Korzystając z szybkości odwracania elektronów, możemy obliczyć efektywne pole magnetyczne, jakiego doświadczają, w funkcji czasu”.

Obliczone pole zgadza się z oczekiwanym na podstawie opracowanych przez zespół modeli napędzanego ruchu atomowego i sprzężenia spin-fonon, mówi Zhu Świat Fizyki. To sprzężenie jest ważne w zastosowaniach takich jak zapisywanie danych na dyskach twardych.

Naukowcy znajdują „utracony” moment pędu

Oprócz rzucenia nowego światła na sprzężenie spin-fonon, które wciąż nie jest w pełni poznane w przypadku halogenków metali ziem rzadkich, odkrycia mogą umożliwić naukowcom opracowanie materiałów, które można konstruować za pomocą innych pól zewnętrznych, takich jak fluktuacje światła lub kwantowe, mówi Zhu. „Myślałem o tej możliwości od czasu mojego stażu podoktorskiego na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, kiedy przeprowadziliśmy pierwsze eksperymenty z rozdzielczością czasową, aby zweryfikować rotację atomów w materiałach dwuwymiarowych” – wyjaśnia. „Takie rotacyjne chiralne tryby fononowe przewidywano kilka lat temu i od tego czasu ciągle się zastanawiałem: czy ruch chiralny można wykorzystać do kontrolowania materiałów elektronicznych?”

Na razie Zhu podkreśla, że ​​główne zastosowania pracy dotyczą badań podstawowych. Dodaje jednak, że „w dłuższej perspektywie, przy pomocy badań teoretycznych, być może będziemy w stanie wykorzystać rotację atomów jako „pokrętło dostrajające”, aby ulepszyć właściwości łamiące odwrócenie czasu i rzadko spotykane w materiałach naturalnych, takie jak nadprzewodnictwo topologiczne”. .

Naukowcy z Rice, którzy szczegółowo opisują swoją obecną pracę w nauka, mają teraz nadzieję zastosować swoją metodę do badania innych materiałów i poszukiwania właściwości wykraczających poza namagnesowanie.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/