Spiralfononer förvandlar ett paramagnetiskt material till en magnet – Physics World

När ett material atomgitter vibrerar, producerar det kvasipartiklar som kallas fononer eller kvantiserade ljudvågor. I vissa material kommer vibrering av gittret i ett korkskruvsmönster att göra dessa fononer kirala, vilket innebär att de tar på sig "handigheten" av vibrationen som producerade dem. Nu har forskare vid Rice University i USA funnit att dessa kirala fononer har ytterligare en effekt: de kan göra materialet magnetiskt. Detta fynd skulle kunna användas för att inducera egenskaper som är svåra att hitta i naturligt förekommande material.

En sådan svår att hitta egenskap gäller kränkningar av elektronernas tidsomkastande symmetri. I huvudsak innebär tidsomkastningssymmetri att elektroner ska bete sig likadant oavsett om de rör sig framåt eller bakåt i ett material. Det vanligaste sättet att bryta denna symmetri är att placera materialet i ett magnetfält, men för vissa möjliga tillämpningar är detta inte praktiskt.

Tidigare var tanken att atomer rör sig för lite och för långsamt i sitt kristallgitter för att påverka elektronernas tidsomkastande symmetri. I det nya arbetet har dock ett Rice-team ledd av Hanyu Zhu fann att när atomer roterar runt sina genomsnittliga positioner i gittret med en hastighet av cirka 10 biljoner varv per sekund, så bryter de resulterande spiralformade vibrationerna – kirala fononer – elektronernas tidsomkastningssymmetri och ger dem en föredragen tidsriktning.

"Varje elektron har ett magnetiskt spinn som fungerar som en liten kompassnål inbäddad i materialet, som reagerar på det lokala magnetfältet", förklarar teammedlemmen Boris Yakobson. ”Kiralitet – även kallad handenhet på grund av det sätt på vilket vänster och höger händer speglar varandra utan att vara överlagrade – bör inte påverka energierna i elektronernas spinn. Men i det här fallet polariserar den kirala rörelsen av atomgittret spinnen inuti materialet som om ett stort magnetfält applicerades."

Storleken på detta effektiva magnetfält är cirka 1 Tesla, tillägger Zhu, vilket gör det jämförbart med det som produceras av de starkaste permanentmagneterna.

Att driva rörelsen hos ett gitter av atomer

Forskarna använde ett roterande elektriskt fält för att driva rörelsen hos ett gitter av atomer i ett spiralmönster. De gjorde detta i ett material som kallas ceriumfluorid, en sällsynt jordartsmetalltrihalid som är naturligt paramagnetisk, vilket betyder att dess elektroners spinn normalt är slumpmässigt orienterade. De övervakade sedan det elektroniska snurrandet i materialet med en kort ljuspuls som en sond, och avfyrade ljuset mot provet med varierande tidsfördröjningar efter applicering av det elektriska fältet. Polariseringen av sondljuset ändras i enlighet med rotationsriktningen.

"Vi upptäckte att när det elektriska fältet hade försvunnit, fortsatte atomerna att rotera och det elektroniska spinnet fortsatte att vända för att passa in i atomernas rotationsriktning", förklarar Zhu. "Med hjälp av elektronernas vändhastighet kan vi beräkna det effektiva magnetfält de upplever som en funktion av tiden."

Det beräknade fältet överensstämmer med det som förväntas från teamets modeller för driven atomrörelse och spin-fononkoppling, säger Zhu Fysikvärlden. Denna koppling är viktig i applikationer som att skriva data på hårddiskar.

Forskare finner "förlorat" vinkelmomentum

Förutom att kasta nytt ljus över spin-fononkoppling, som fortfarande inte är helt förstådd i sällsynta jordartsmetallhalider, kan resultaten göra det möjligt för forskare att utveckla material som kan konstrueras av andra externa fält som ljus- eller kvantfluktuationer, säger Zhu. "Jag har funderat på den här möjligheten sedan min post-doc vid UC Berkeley, när vi utförde de första tidsupplösta experimenten för att verifiera rotationen av atomer i tvådimensionella material," förklarar han. "Sådana roterande kirala fononlägen förutspåddes för några år sedan och sedan dess har jag undrat: kan den kirala rörelsen användas för att styra elektroniska material?"

För närvarande betonar Zhu att verkets huvudsakliga tillämpningar ligger i grundforskning. Men han tillägger att "i det långa loppet, med hjälp av teoretiska studier, kan vi kanske använda atomrotation som en "avstämningsknopp" för att förbättra egenskaper som bryter tidsreversering och som sällan finns i naturliga material, som topologisk supraledning." .

Risforskarna, som beskriver sitt nuvarande arbete i Vetenskap, hoppas nu kunna tillämpa sin metod för att utforska andra material och leta efter egenskaper bortom magnetisering.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/