Спіралеподібні фонони перетворюють парамагнітний матеріал на магніт – Physics World

Коли атомна решітка матеріалу вібрує, вона створює квазічастинки, відомі як фонони, або квантовані звукові хвилі. У деяких матеріалах вібрація решітки за штопорною схемою зробить ці фонони хіральними, тобто вони переймають «руку» вібрації, яка їх породила. Тепер дослідники з Університету Райса в США виявили, що ці хіральні фонони мають додатковий ефект: вони можуть зробити матеріал магнітним. Це відкриття може бути використано для індукції властивостей, які важко знайти в природних матеріалах.

Одна з таких властивостей, яку важко знайти, стосується порушення симетрії зворотного часу електронів. По суті, симетрія інверсії часу означає, що електрони повинні поводитися однаково незалежно від того, рухаються вони в матеріалі вперед чи назад. Найпоширенішим способом порушення цієї симетрії є розміщення матеріалу в магнітному полі, але для деяких можливих застосувань це непрактично.

Раніше вважалося, що атоми рухаються надто мало й надто повільно у своїй кристалічній решітці, щоб впливати на симетрію зворотного часу електронів. У новій роботі, однак, команда Райса на чолі з Ханью Чжу виявили, що коли атоми обертаються навколо своїх середніх позицій у ґратці зі швидкістю приблизно 10 трильйонів обертів на секунду, результуючі спіралеподібні коливання – хіральні фонони – порушують симетрію зворотного часу електронів і надають їм бажаний напрямок часу.

«Кожен електрон має магнітне обертання, яке діє як крихітна стрілка компаса, вбудована в матеріал, реагуючи на локальне магнітне поле», — пояснює член команди. Борис Якобсон. «Хіральність — яку також називають «рукоподібністю» через спосіб, у який ліва і права руки віддзеркалюють одна одну без накладання — не повинна впливати на енергію обертання електронів. Але в цьому випадку хіральний рух атомної решітки поляризує спіни всередині матеріалу, як якщо б було застосовано велике магнітне поле».

Величина цього ефективного магнітного поля становить близько 1 Тесла, додає Чжу, що робить його порівнянним з тим, що створюється найсильнішими постійними магнітами.

Керування рухом решітки атомів

Дослідники використовували обертове електричне поле для руху решітки атомів по спіралі. Вони зробили це з матеріалом під назвою фторид церію, рідкоземельного тригалогеніду, який є природним парамагнітиком, тобто спіни його електронів зазвичай орієнтовані випадковим чином. Потім вони спостерігали за електронним обертанням у матеріалі, використовуючи короткий світловий імпульс як зонд, випромінюючи світло на зразок із різними часовими затримками після застосування електричного поля. Поляризація світла зонда змінюється відповідно до напрямку обертання.

«Ми виявили, що коли електричне поле зникло, атоми продовжували обертатися, а електронне обертання продовжувало обертатися, щоб вирівняти напрямок обертання атомів», — пояснює Чжу. «Використовуючи швидкість обертання електронів, ми можемо розрахувати ефективне магнітне поле, яке вони відчувають, як функцію часу».

Розраховане поле узгоджується з тим, що очікується від моделей керованого атомного руху та спін-фононного зв’язку, розповідає Чжу. Світ фізики. Цей зв'язок важливий у таких програмах, як запис даних на жорсткі диски.

Дослідники знаходять «втрачений» кутовий момент

Крім проливання нового світла на спін-фононний зв’язок, який досі не повністю вивчений у рідкоземельних галогенідах, результати можуть дозволити вченим розробити матеріали, які можна створити за допомогою інших зовнішніх полів, таких як світло або квантові флуктуації, каже Чжу. «Я думав про цю можливість ще з часів пост-документації в Каліфорнійському університеті в Берклі, коли ми провели перші експерименти з роздільною здатністю за часом, щоб перевірити обертання атомів у двовимірних матеріалах», — пояснює він. «Такі обертальні моди хіральних фононів були передбачені кілька років тому, і з тих пір я продовжував дивуватися: чи можна використовувати хіральний рух для керування електронними матеріалами?»

На даний момент Чжу підкреслює, що основні програми роботи лежать у фундаментальних дослідженнях. Однак він додає, що «в довгостроковій перспективі за допомогою теоретичних досліджень ми зможемо використовувати обертання атома як «ручку налаштування» для покращення властивостей, що порушують інверсію часу та рідко зустрічаються в природних матеріалах, як-от топологічна надпровідність». .

Дослідники Райса, які детально описують свою поточну роботу в наука, тепер сподіваються застосувати свій метод для дослідження інших матеріалів і пошуку властивостей, крім намагніченості.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/