Fononii în spirală transformă un material paramagnetic într-un magnet – Physics World

Când rețeaua atomică a unui material vibrează, aceasta produce cvasiparticule cunoscute sub numele de fononi sau unde sonore cuantificate. În anumite materiale, vibrarea zăbrelei într-un model de tirbușon va face ca acești fononi să fie chirale, ceea ce înseamnă că aceștia preiau „handedness” a vibrației care i-a produs. Acum, cercetătorii de la Universitatea Rice din SUA au descoperit că acești fononi chirali au un efect suplimentar: pot face materialul magnetic. Această descoperire ar putea fi folosită pentru a induce proprietăți care sunt greu de găsit în materialele naturale.

O astfel de proprietate greu de găsit se referă la încălcări ale simetriei inversării timpului a electronilor. În esență, simetria inversării timpului implică faptul că electronii ar trebui să se comporte la fel, indiferent dacă se mișcă înainte sau înapoi într-un material. Cel mai comun mod de a încălca această simetrie este plasarea materialului într-un câmp magnetic, dar pentru unele aplicații posibile, acest lucru nu este practic.

Anterior, se credea că atomii se mișcă prea puțin și prea încet în rețeaua lor cristalină pentru a afecta simetria inversării timpului a electronilor. În noua lucrare, însă, o echipă Rice condusă de Hanyu Zhu a descoperit că atunci când atomii se rotesc în jurul pozițiilor lor medii în rețea cu o rată de aproximativ 10 trilioane de rotații pe secundă, vibrațiile rezultate în formă de spirală – fononi chirali – rup simetria inversă în timp a electronilor și le oferă o direcție preferată a timpului.

„Fiecare electron posedă un spin magnetic care acționează ca un mic ac de busolă încorporat în material, reacționând la câmpul magnetic local”, explică membrul echipei. Boris Yakobson. „Chiralitatea – numită și handedness din cauza modului în care mâinile stânga și dreaptă se oglindesc reciproc fără a fi superpozabile – nu ar trebui să afecteze energiile spinului electronilor. Dar, în acest caz, mișcarea chirală a rețelei atomice polarizează rotațiile din interiorul materialului ca și cum ar fi aplicat un câmp magnetic mare.

Mărimea acestui câmp magnetic efectiv este de aproximativ 1 Tesla, adaugă Zhu, făcându-l comparabil cu cel produs de cei mai puternici magneți permanenți.

Conducerea mișcării unei rețele de atomi

Cercetătorii au folosit un câmp electric rotativ pentru a conduce mișcarea unei rețele de atomi într-un model în spirală. Ei au făcut acest lucru într-un material numit fluorură de ceriu, o trihalogenură de pământ rar care este în mod natural paramagnetică, ceea ce înseamnă că spinurile electronilor săi sunt în mod normal orientate aleatoriu. Apoi au monitorizat rotația electronică a materialului folosind un impuls scurt de lumină ca sondă, trăgând lumina spre eșantion cu întârzieri diferite după aplicarea câmpului electric. Polarizarea luminii sondei se modifică în funcție de direcția de rotație.

„Am descoperit că atunci când câmpul electric a dispărut, atomii au continuat să se rotească, iar spinul electronic a continuat să se rotească pentru a se alinia cu direcția de rotație a atomilor”, explică Zhu. „Folosind viteza de întoarcere a electronilor, putem calcula câmpul magnetic efectiv pe care îl experimentează în funcție de timp.”

Câmpul calculat este de acord cu cel așteptat de la modelele echipei de mișcare atomică condusă și de cuplare spin-fonon, spune Zhu Lumea fizicii. Această cuplare este importantă în aplicații precum scrierea datelor pe hard disk.

Cercetătorii găsesc moment unghiular „pierdut”.

Pe lângă faptul că aruncă o lumină nouă asupra cuplării spin-fonon, care încă nu este pe deplin înțeleasă în halogenurile de pământuri rare, descoperirile ar putea permite oamenilor de știință să dezvolte materiale care pot fi proiectate de alte câmpuri externe, cum ar fi fluctuațiile luminii sau cuantice, spune Zhu. „M-am gândit la această posibilitate încă de la post-doctoratul la UC Berkeley, când am efectuat primele experimente rezolvate în timp pentru a verifica rotația atomilor în materiale bidimensionale”, explică el. „Astfel de moduri de rotație a fononului chiral au fost prezise cu câțiva ani în urmă și de atunci m-am tot întrebat: ar putea fi folosită mișcarea chirală pentru a controla materialele electronice?”

Deocamdată, Zhu subliniază că principalele aplicații ale lucrării se află în cercetarea fundamentală. Cu toate acestea, el adaugă că „pe termen lung, cu ajutorul studiilor teoretice, putem fi capabili să folosim rotația atomică ca „buton de reglare” pentru a îmbunătăți proprietățile de întrerupere a inversării timpului și rareori găsite în materialele naturale, cum ar fi supraconductivitatea topologică”. .

Cercetătorii Rice, care își detaliază munca actuală în Ştiinţă, acum speră să aplice metoda lor pentru a explora alte materiale și pentru a căuta proprietăți dincolo de magnetizare.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/