Các phonon xoắn ốc biến vật liệu thuận từ thành nam châm – Thế Giới Vật Lý

Các phonon xoắn ốc biến vật liệu thuận từ thành nam châm – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: ngày 15 tháng 2024 năm 4 00:XNUMX sáng

Ấn tượng của nghệ sĩ về các phonon bất đối được kích thích bởi các xung ánh sáng terahertz phân cực tròn
Hiệu ứng spin: Các phonon bất đối được kích thích bởi các xung ánh sáng terahertz phân cực tròn tạo ra từ hóa cực nhanh trong xeri florua. Các ion flo (màu đỏ, màu hoa vân anh) được kích hoạt chuyển động bằng các xung ánh sáng terahertz phân cực tròn (xoắn ốc màu vàng), trong đó màu đỏ biểu thị các ion có chuyển động lớn nhất ở chế độ phonon đối xứng. Ion xeri được thể hiện bằng màu xanh mòng két. Kim la bàn tượng trưng cho từ hóa gây ra bởi các nguyên tử đang quay. (Được phép: Mario Norton và Jiaming Luo/Đại học Rice)

Khi mạng nguyên tử của vật liệu dao động, nó tạo ra các giả hạt gọi là phonon, hay sóng âm lượng tử hóa. Trong một số vật liệu nhất định, việc rung mạng theo kiểu xoắn ốc sẽ làm cho các phonon này trở thành đối xứng, nghĩa là chúng đảm nhận “sự thuận tay” của rung động tạo ra chúng. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice ở Mỹ vừa phát hiện ra rằng những phonon bất đối này còn có một tác dụng nữa: chúng có thể làm cho vật liệu có từ tính. Phát hiện này có thể được sử dụng để tạo ra các đặc tính khó tìm thấy ở các vật liệu xuất hiện trong tự nhiên.

Một tính chất khó tìm như vậy liên quan đến sự vi phạm tính đối xứng nghịch đảo thời gian của electron. Về bản chất, sự đối xứng ngược thời gian ngụ ý rằng các electron sẽ hành xử giống nhau bất kể chúng chuyển động tiến hay lùi trong vật liệu. Cách phổ biến nhất để vi phạm tính đối xứng này là đặt vật liệu vào một từ trường, nhưng đối với một số ứng dụng khả thi, điều này không thực tế.

Trước đây, người ta cho rằng các nguyên tử chuyển động quá ít và quá chậm trong mạng tinh thể của chúng để ảnh hưởng đến tính đối xứng nghịch đảo thời gian của các electron. Tuy nhiên, trong nghiên cứu mới, nhóm Rice do Hàn Ngọc Chu phát hiện ra rằng khi các nguyên tử quay quanh vị trí trung bình của chúng trong mạng với tốc độ khoảng 10 nghìn tỷ vòng/giây, thì kết quả là các dao động hình xoắn ốc – các phonon đối xứng – phá vỡ tính đối xứng nghịch đảo thời gian của các electron và cho chúng một hướng thời gian ưa thích.

“Mỗi electron sở hữu một spin từ tính hoạt động giống như một chiếc kim la bàn nhỏ xíu gắn trong vật liệu, phản ứng với từ trường cục bộ,” thành viên nhóm giải thích Boris Yakobson. “Chirality – còn được gọi là thuận tay vì cách tay trái và tay phải phản chiếu lẫn nhau mà không chồng chéo lên nhau – sẽ không ảnh hưởng đến năng lượng quay của các electron. Nhưng trong trường hợp này, chuyển động bất đối của mạng nguyên tử làm phân cực các spin bên trong vật liệu cứ như thể một từ trường lớn được đặt vào.”

Zhu cho biết thêm, độ lớn của từ trường hiệu quả này là khoảng 1 Tesla, khiến nó có thể so sánh với cường độ được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu mạnh nhất.

Điều khiển chuyển động của mạng nguyên tử

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một điện trường quay để điều khiển chuyển động của mạng nguyên tử theo hình xoắn ốc. Họ đã làm điều này trong một vật liệu gọi là xeri florua, một trihalua đất hiếm có tính thuận từ tự nhiên, nghĩa là spin của các electron của nó thường được định hướng ngẫu nhiên. Sau đó, họ theo dõi spin điện tử trong vật liệu bằng cách sử dụng xung ánh sáng ngắn làm đầu dò, chiếu ánh sáng vào mẫu với độ trễ thời gian khác nhau sau khi tác dụng điện trường. Độ phân cực của ánh sáng thăm dò thay đổi theo hướng quay.

Zhu giải thích: “Chúng tôi nhận thấy rằng khi điện trường biến mất, các nguyên tử tiếp tục quay và spin điện tử tiếp tục đảo để thẳng hàng với hướng quay của các nguyên tử”. “Sử dụng tốc độ lật của các electron, chúng ta có thể tính toán từ trường hiệu dụng mà chúng chịu đựng theo hàm số của thời gian.”

Trường được tính toán phù hợp với mong đợi từ các mô hình chuyển động nguyên tử được điều khiển và sự ghép nối spin-phonon của nhóm, Zhu nói. Thế giới vật lý. Sự ghép nối này rất quan trọng trong các ứng dụng như ghi dữ liệu trên đĩa cứng.

Zhu cho biết, cùng với việc làm sáng tỏ sự liên kết spin-phonon, hiện tượng vẫn chưa được hiểu đầy đủ về halogenua đất hiếm, các phát hiện này có thể cho phép các nhà khoa học phát triển các vật liệu có thể được chế tạo bởi các trường bên ngoài khác như biến động ánh sáng hoặc lượng tử. “Tôi đã nghĩ về khả năng này kể từ khi làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại UC Berkeley, khi chúng tôi thực hiện các thí nghiệm lần đầu tiên được giải quyết để xác minh sự quay của các nguyên tử trong vật liệu hai chiều,” ông giải thích. “Các chế độ phonon đối xứng quay như vậy đã được dự đoán cách đây vài năm và kể từ đó tôi luôn tự hỏi: liệu chuyển động đối xứng có thể được sử dụng để điều khiển các vật liệu điện tử hay không?”

Hiện tại, Zhu nhấn mạnh rằng ứng dụng chính của công trình nằm ở nghiên cứu cơ bản. Tuy nhiên, ông nói thêm rằng “về lâu dài, với sự trợ giúp của các nghiên cứu lý thuyết, chúng ta có thể sử dụng chuyển động quay nguyên tử như một ‘núm điều chỉnh’ để tăng cường các đặc tính phá vỡ sự đảo ngược thời gian và hiếm khi được tìm thấy trong các vật liệu tự nhiên, như chất siêu dẫn tôpô”. .

Các nhà nghiên cứu của Rice trình bày chi tiết công việc hiện tại của họ trong Khoa học, giờ đây hy vọng có thể áp dụng phương pháp của họ để khám phá những vật liệu khác và tìm kiếm những đặc tính ngoài khả năng từ hóa.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý