Спиральные фононы превращают парамагнетик в магнит

Когда атомная решетка материала вибрирует, она производит квазичастицы, известные как фононы, или квантованные звуковые волны. В некоторых материалах вибрация решетки по образцу штопора сделает эти фононы хиральными, то есть они приобретут «направленность» вибрации, которая их произвела. Теперь исследователи из Университета Райса в США обнаружили, что эти киральные фононы имеют еще один эффект: они могут сделать материал магнитным. Это открытие может быть использовано для создания свойств, которые трудно найти в природных материалах.

Одно из таких трудно обнаруживаемых свойств касается нарушений симметрии обращения времени электронов. По сути, симметрия обращения времени подразумевает, что электроны должны вести себя одинаково независимо от того, движутся ли они в материале вперед или назад. Самый распространенный способ нарушения этой симметрии — поместить материал в магнитное поле, но для некоторых возможных применений это непрактично.

Раньше считалось, что атомы движутся слишком мало и слишком медленно в своей кристаллической решетке, чтобы повлиять на симметрию электронов с обращением времени. Однако в новой работе группа Райс под руководством Ханью Чжу обнаружили, что когда атомы вращаются вокруг своих средних положений в решетке со скоростью около 10 триллионов оборотов в секунду, возникающие в результате спиральные колебания – киральные фононы – нарушают симметрию обращения времени электронов и дают им предпочтительное направление времени.

«Каждый электрон обладает магнитным спином, который действует как крошечная стрелка компаса, встроенная в материал, реагируя на локальное магнитное поле», — объясняет член команды. Борис Якобсон. «Хиральность – также называемая леворукостью из-за того, что левая и правая руки отражают друг друга, не накладываясь друг на друга – не должна влиять на энергию вращения электронов. Но в данном случае киральное движение атомной решетки поляризует спины внутри материала, как если бы было приложено большое магнитное поле».

Величина этого эффективного магнитного поля составляет около 1 Тесла, добавляет Чжу, что делает его сравнимым с полем, создаваемым самыми сильными постоянными магнитами.

Управление движением решетки атомов

Исследователи использовали вращающееся электрическое поле, чтобы привести в движение решетку атомов по спирали. Они сделали это с материалом под названием фторид церия, тригалогенид редкоземельного элемента, который по природе является парамагнитным, то есть спины его электронов обычно ориентированы случайным образом. Затем они контролировали электронный спин в материале, используя короткий световой импульс в качестве зонда, направляя свет на образец с различными временными задержками после приложения электрического поля. Поляризация зондирующего света меняется в зависимости от направления вращения.

«Мы обнаружили, что после исчезновения электрического поля атомы продолжали вращаться, а электронный спин продолжал меняться, чтобы соответствовать направлению вращения атомов», — объясняет Чжу. «Используя скорость переворота электронов, мы можем рассчитать эффективное магнитное поле, которое они испытывают, как функцию времени».

Рассчитанное поле согласуется с ожидаемым на основе разработанных командой моделей управляемого атомного движения и спин-фононного взаимодействия, говорит Чжу. Мир физики. Эта связь важна в таких приложениях, как запись данных на жесткие диски.

Исследователи обнаружили «потерянный» угловой момент

По словам Чжу, полученные результаты не только прольют новый свет на спин-фононную связь, которая до сих пор не до конца изучена в галогенидах редкоземельных элементов, но и позволят ученым разрабатывать материалы, которые можно будет создавать с помощью других внешних полей, таких как свет или квантовые флуктуации. «Я думал об этой возможности с тех пор, как учился в Калифорнийском университете в Беркли, когда мы провели первые эксперименты с временным разрешением для проверки вращения атомов в двумерных материалах», — объясняет он. «Такие вращательные киральные фононные моды были предсказаны несколько лет назад, и с тех пор я продолжал задаваться вопросом: можно ли использовать киральное движение для управления электронными материалами?»

На данный момент Чжу подчеркивает, что основное применение работы лежит в фундаментальных исследованиях. Однако он добавляет, что «в долгосрочной перспективе, с помощью теоретических исследований, мы сможем использовать вращение атомов в качестве «ручки настройки» для улучшения свойств, нарушающих обращение времени и редко встречающихся в природных материалах, таких как топологическая сверхпроводимость». .

Исследователи Райс, которые подробно описывают свою нынешнюю работу в Наука, теперь надеются применить свой метод для исследования других материалов и поиска свойств, помимо намагничивания.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/