Spiralni fononi spremenijo paramagnetni material v magnet – Svet fizike

Spiralni fononi spremenijo paramagnetni material v magnet – Svet fizike

Časovni žig: 15. januar 2024 4

Umetnikov vtis o kiralnih fononih, ki jih vzbujajo krožno polarizirani teraherčni svetlobni impulzi
Spinski učinki: Kiralni fononi, ki jih vzbujajo krožno polarizirani teraherčni svetlobni impulzi, ustvarjajo ultrahitro magnetizacijo cerijevega fluorida. Fluorove ione (rdeča, fuksija) poženejo v gibanje krožno polarizirani teraherčni svetlobni impulzi (rumena spirala), kjer rdeča barva označuje ione z največjim gibanjem v kiralnem fononskem načinu. Cerijev ion je zastopan v modri barvi. Igla kompasa predstavlja magnetizacijo, ki jo povzročajo vrteči se atomi. (Z dovoljenjem: Mario Norton in Jiaming Luo/Univerza Rice)

Ko atomska mreža materiala vibrira, proizvaja kvazidelce, znane kot fononi, ali kvantizirani zvočni valovi. Pri določenih materialih bo vibriranje rešetke v vzorcu zamaška povzročilo, da bodo ti fononi kiralni, kar pomeni, da prevzamejo "ročnost" vibracije, ki jih je povzročila. Zdaj so raziskovalci na univerzi Rice v ZDA ugotovili, da imajo ti kiralni fononi nadaljnji učinek: material lahko naredijo magneten. To ugotovitev bi lahko uporabili za indukcijo lastnosti, ki jih je težko najti v naravnih materialih.

Ena takšnih lastnosti, ki jih je težko najti, se nanaša na kršitve simetrije obračanja časa elektronov. V bistvu simetrija časovnega obrata pomeni, da se morajo elektroni obnašati enako ne glede na to, ali se premikajo naprej ali nazaj v materialu. Najpogostejši način za kršitev te simetrije je, da material postavimo v magnetno polje, vendar za nekatere možne aplikacije to ni praktično.

Prej je veljalo, da se atomi premikajo premalo in prepočasi v svoji kristalni mreži, da bi vplivali na simetrijo obrata časa elektronov. V novem delu pa Riceova ekipa pod vodstvom Hanyu Zhu ugotovili, da ko se atomi vrtijo okoli svojih povprečnih položajev v rešetki s hitrostjo približno 10 trilijonov vrtljajev na sekundo, nastale spiralno oblikovane vibracije – kiralni fononi – prekinejo časovno-obratno simetrijo elektronov in jim dajo prednostno časovno smer.

"Vsak elektron ima magnetno vrtenje, ki deluje kot majhna igla kompasa, vdelana v material, in se odziva na lokalno magnetno polje," pojasnjuje član ekipe Boris Jakobson. »Kiralnost – imenovana tudi ročnost zaradi načina, na katerega se leva in desna roka zrcalita, ne da bi se prekrivala – ne bi smela vplivati ​​na energije vrtenja elektronov. Toda v tem primeru kiralno gibanje atomske mreže polarizira vrtljaje znotraj materiala, kot da bi bilo uporabljeno veliko magnetno polje.

Velikost tega efektivnega magnetnega polja je približno 1 Tesla, dodaja Zhu, zaradi česar je primerljivo s tistim, ki ga proizvajajo najmočnejši trajni magneti.

Poganjanje gibanja mreže atomov

Raziskovalci so uporabili rotirajoče električno polje za pogon gibanja mreže atomov v spiralnem vzorcu. To so storili v materialu, imenovanem cerijev fluorid, trihalidu redke zemlje, ki je naravno paramagneten, kar pomeni, da so vrtljaji njegovih elektronov običajno naključno usmerjeni. Nato so spremljali elektronsko vrtenje v materialu z uporabo kratkega svetlobnega impulza kot sonde, ki je po uporabi električnega polja sprožila svetlobo na vzorec z različnimi časovnimi zamiki. Polarizacija svetlobe sonde se spreminja glede na smer vrtenja.

"Ugotovili smo, da so se atomi, ko je električno polje izginilo, še naprej vrteli in elektronsko vrtenje se je obračalo, da bi se uskladilo s smerjo vrtenja atomov," pojasnjuje Zhu. "Z uporabo hitrosti obračanja elektronov lahko izračunamo efektivno magnetno polje, ki ga doživljajo kot funkcijo časa."

Izračunano polje se ujema s tistim, ki se pričakuje od ekipnih modelov pogonskega atomskega gibanja in spin-fononske sklopitve, pravi Zhu Svet fizike. Ta povezava je pomembna pri aplikacijah, kot je zapisovanje podatkov na trde diske.

Poleg osvetlitve spin-fononske sklopitve, ki še vedno ni popolnoma razumljena pri halogenidih redkih zemelj, bi ugotovitve lahko znanstvenikom omogočile razvoj materialov, ki jih je mogoče oblikovati z drugimi zunanjimi polji, kot so svetloba ali kvantna nihanja, pravi Zhu. "O tej možnosti sem razmišljal že od svojega doktorskega študija na UC Berkeley, ko smo izvedli prve poskuse s časovno ločljivostjo za preverjanje rotacije atomov v dvodimenzionalnih materialih," pojasnjuje. "Takšni rotacijski kiralni fononski načini so bili napovedani pred nekaj leti in od takrat naprej sem se spraševal: ali bi lahko kiralno gibanje uporabili za nadzor elektronskih materialov?"

Za zdaj Zhu poudarja, da so glavne aplikacije dela v temeljnih raziskavah. Vendar pa dodaja, da bomo »na dolgi rok s pomočjo teoretičnih študij morda lahko uporabili atomsko rotacijo kot 'gumb za nastavitev' za izboljšanje lastnosti, ki prekinejo obračanje časa in jih redko najdemo v naravnih materialih, kot je topološka superprevodnost.« .

Raziskovalci Rice, ki podrobno opisujejo svoje trenutno delo v Znanost, zdaj upajo, da bodo svojo metodo uporabili za raziskovanje drugih materialov in iskanje lastnosti zunaj magnetizacije.

Časovni žig:

Več od Svet fizike