โฟนอนแบบหมุนวนเปลี่ยนวัสดุพาราแมกเนติกให้เป็นแม่เหล็ก - โลกฟิสิกส์

โฟนอนแบบหมุนวนเปลี่ยนวัสดุพาราแมกเนติกให้เป็นแม่เหล็ก - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 15 มกราคม 2024 4:00 น

ความประทับใจของศิลปินเกี่ยวกับโฟนอนไครัลที่ตื่นเต้นด้วยพัลส์แสงเทราเฮิร์ตซ์โพลาไรซ์แบบวงกลม
เอฟเฟกต์การหมุน: โฟนอนของ Chiral ตื่นเต้นด้วยพัลส์แสงเทราเฮิร์ตซ์โพลาไรซ์แบบวงกลมทำให้เกิดการดึงดูดแม่เหล็กที่รวดเร็วเป็นพิเศษในซีเรียมฟลูออไรด์ ไอออนของฟลูออรีน (สีแดง สีบานเย็น) ถูกทำให้เคลื่อนที่โดยพัลส์แสงเทราเฮิร์ตซ์ที่มีโพลาไรซ์เป็นวงกลม (เกลียวสีเหลือง) โดยที่สีแดงหมายถึงไอออนที่มีการเคลื่อนไหวมากที่สุดในโหมดไครัลโฟนอน ไอออนซีเรียมจะแสดงเป็นสีน้ำเงินอมเขียว เข็มเข็มทิศแสดงถึงแรงดึงดูดที่เกิดจากอะตอมที่หมุนอยู่ (เอื้อเฟื้อโดย: Mario Norton และ Jiaming Luo/Rice University)

เมื่อโครงตาข่ายอะตอมของวัสดุสั่นสะเทือน จะก่อให้เกิดอนุภาคกึ่งอนุภาคที่เรียกว่าโฟนันส์ หรือคลื่นเสียงเชิงปริมาณ ในวัสดุบางชนิด การสั่นโครงตาข่ายในรูปแบบเกลียวจะทำให้โฟนันส์ไครัลเหล่านี้ ซึ่งหมายความว่าพวกมันรับ "ความถนัด" ของการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้น ขณะนี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์ในสหรัฐฯ พบว่าหน่วยเสียงไครัลเหล่านี้มีผลเพิ่มเติม คือ สามารถทำให้วัสดุมีแม่เหล็กได้ การค้นพบนี้สามารถใช้เพื่อกระตุ้นคุณสมบัติที่หาได้ยากในวัสดุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ

คุณสมบัติที่หายากประการหนึ่งเกี่ยวข้องกับการละเมิดสมมาตรการกลับตัวของเวลาของอิเล็กตรอน โดยพื้นฐานแล้ว สมมาตรของการกลับตัวตามเวลาบ่งบอกว่าอิเล็กตรอนควรมีพฤติกรรมเหมือนกัน ไม่ว่าพวกมันจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าหรือข้างหลังในวัสดุก็ตาม วิธีที่พบบ่อยที่สุดในการละเมิดความสมมาตรนี้คือการวางวัสดุไว้ในสนามแม่เหล็ก แต่สำหรับการใช้งานบางอย่างที่เป็นไปได้ วิธีนี้ไม่สามารถทำได้

ก่อนหน้านี้ แนวคิดก็คืออะตอมเคลื่อนที่น้อยเกินไปและช้าเกินไปในโครงตาข่ายคริสตัลของพวกมันที่จะส่งผลต่อสมมาตรในการกลับตัวของเวลาของอิเล็กตรอน ในงานใหม่นี้มีทีมงานไรซ์นำโดย ฮันหยู จู พบว่าเมื่ออะตอมหมุนรอบตำแหน่งเฉลี่ยในโครงตาข่ายด้วยอัตราประมาณ 10 ล้านล้านรอบต่อวินาที ผลที่ตามมาคือการสั่นสะเทือนรูปทรงเกลียวที่เรียกว่าไครัลโฟนอนส์ ทำลายสมมาตรการกลับเวลาของอิเล็กตรอนและให้ทิศทางเวลาที่ต้องการ

“อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีการหมุนของแม่เหล็กซึ่งทำหน้าที่เหมือนเข็มเข็มทิศเล็กๆ ที่ฝังอยู่ในวัสดุ และทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กในบริเวณนั้น” สมาชิกในทีมอธิบาย บอริส ยาคอบสัน. “Chirality – หรือที่เรียกว่าความถนัดเนื่องจากวิธีที่มือซ้ายและขวาสะท้อนซึ่งกันและกันโดยไม่ซ้อนทับกัน – ไม่ควรส่งผลกระทบต่อพลังงานของการหมุนของอิเล็กตรอน แต่ในกรณีนี้ การเคลื่อนที่ของไครัลของตาข่ายอะตอมจะทำให้การหมุนภายในวัสดุมีขั้วราวกับว่ามีสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่เกิดขึ้น”

Zhu กล่าวเสริมว่า ขนาดของสนามแม่เหล็กที่มีประสิทธิผลนี้อยู่ที่ประมาณ 1 เทสลา ซึ่งเทียบได้กับสนามแม่เหล็กถาวรที่แรงที่สุด

ขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของโครงตาข่ายของอะตอม

นักวิจัยใช้สนามไฟฟ้าหมุนเพื่อขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของโครงตาข่ายอะตอมในรูปแบบเกลียว พวกเขาทำสิ่งนี้ในวัสดุที่เรียกว่าซีเรียมฟลูออไรด์ ซึ่งเป็นไตรฮาไลด์ของธาตุหายากที่มีพาราแมกเนติกตามธรรมชาติ ซึ่งหมายความว่าการหมุนของอิเล็กตรอนโดยปกติจะเน้นแบบสุ่ม จากนั้นพวกเขาตรวจสอบการหมุนแบบอิเล็กทรอนิกส์ในวัสดุโดยใช้พัลส์แสงสั้นๆ เป็นโพรบ โดยยิงแสงไปที่ตัวอย่างโดยมีความล่าช้าของเวลาที่แตกต่างกันหลังจากใช้สนามไฟฟ้า โพลาไรเซชันของไฟโพรบจะเปลี่ยนไปตามทิศทางการหมุน

“เราพบว่าเมื่อสนามไฟฟ้าหายไป อะตอมยังคงหมุนต่อไป และการหมุนแบบอิเล็กทรอนิกส์ยังคงพลิกเพื่อให้สอดคล้องกับทิศทางการหมุนของอะตอม” Zhu อธิบาย “การใช้อัตราการพลิกของอิเล็กตรอน ทำให้เราสามารถคำนวณสนามแม่เหล็กที่มีประสิทธิผลที่พวกมันสัมผัสได้ในฟังก์ชันของเวลา”

ฟิลด์ที่คำนวณได้สอดคล้องกับที่คาดหวังจากแบบจำลองการเคลื่อนที่ของอะตอมที่ขับเคลื่อนด้วยและการมีเพศสัมพันธ์แบบสปินโฟนอนของทีม Zhu กล่าว โลกฟิสิกส์. การเชื่อมต่อนี้มีความสำคัญในการใช้งาน เช่น การเขียนข้อมูลบนฮาร์ดดิสก์

เช่นเดียวกับการฉายแสงใหม่เกี่ยวกับการมีเพศสัมพันธ์ของ Spin-phonon ซึ่งยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ในเฮไลด์ของธาตุหายาก การค้นพบนี้อาจทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาวัสดุที่สามารถสร้างโดยสนามภายนอกอื่น ๆ เช่นแสงหรือความผันผวนของควอนตัม Zhu กล่าว “ผมคิดถึงความเป็นไปได้นี้ตั้งแต่หลังปริญญาเอกที่ UC Berkeley ตอนที่เราทำการทดลองที่ได้รับการแก้ไขครั้งแรกเพื่อตรวจสอบการหมุนของอะตอมในวัสดุสองมิติ” เขาอธิบาย “โหมด chiral phonon แบบหมุนดังกล่าวได้รับการทำนายไว้เมื่อไม่กี่ปีก่อน และตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ฉันก็ยังสงสัยว่า: การเคลื่อนที่ของ chiral สามารถใช้เพื่อควบคุมวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ได้หรือไม่”

ในตอนนี้ Zhu เน้นย้ำว่าการใช้งานหลักของงานนี้อยู่ที่การวิจัยขั้นพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม เขาเสริมว่า "ในระยะยาว ด้วยความช่วยเหลือจากการศึกษาทางทฤษฎี เราอาจสามารถใช้การหมุนของอะตอมเป็น 'ปุ่มปรับ' เพื่อเพิ่มคุณสมบัติในการย้อนเวลากลับและไม่ค่อยพบในวัสดุธรรมชาติ เช่น ตัวนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยี" .

นักวิจัยของ Rice ซึ่งให้รายละเอียดเกี่ยวกับงานปัจจุบันของพวกเขา วิทยาศาสตร์ตอนนี้หวังว่าจะใช้วิธีการของพวกเขาในการสำรวจวัสดุอื่นๆ และมองหาคุณสมบัติที่นอกเหนือจากการเป็นแม่เหล็ก

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์