螺旋声子将顺磁性材料变成磁铁 – 物理世界

当材料的原子晶格振动时，它会产生称为声子或量子化声波的准粒子。在某些材料中，以螺旋模式振动晶格将使这些声子具有手性，这意味着它们呈现出产生它们的振动的“旋向性”。现在，美国莱斯大学的研究人员发现这些手性声子还有进一步的作用：它们可以使材料具有磁性。这一发现可用于诱导天然材料中难以找到的特性。

其中一项难以发现的性质涉及电子时间反转对称性的破坏。本质上，时间反转对称性意味着电子无论在材料中向前还是向后移动都应该表现相同。破坏这种对称性的最常见方法是将材料置于磁场中，但对于某些可能的应用来说，这是不切实际的。

此前，人们认为原子在晶格中移动太少且太慢，无法影响电子的时间反转对称性。然而，在新的工作中，莱斯团队领导的 朱瀚宇 发现当原子以每秒约 10 万亿转的速度围绕其在晶格中的平均位置旋转时，产生的螺旋形振动（手性声子）打破了电子的时间反转对称性，并赋予它们首选的时间方向。

“每个电子都拥有磁自旋，就像嵌入材料中的微小罗盘针一样，对局部磁场做出反应，”团队成员解释道 鲍里斯·雅科布森。 “手性——也称为旋手性，因为左右手相互镜像​​而不重叠——不应该影响电子自旋的能量。但在这种情况下，原子晶格的手性运动使材料内部的自旋极化，就像施加了大磁场一样。”

Zhu 补充道，这种有效磁场的强度约为 1 特斯拉，可与最强的永磁体产生的磁场相媲美。

驱动原子晶格的运动

研究人员使用旋转电场来驱动原子晶格以螺旋模式运动。他们用一种叫做氟化铈的材料做到了这一点，这是一种稀土三卤化物，具有天然顺磁性，这意味着其电子自旋通常是随机定向的。然后，他们使用短光脉冲作为探针来监测材料中的电子自旋，在施加电场后以不同的时间延迟向样品发射光。探测光的偏振根据自旋方向而变化。

“我们发现，当电场消失时，原子继续旋转，电子自旋不断翻转以与原子的旋转方向对齐，”朱解释道。 “利用电子的翻转率，我们可以计算出它们所经历的有效磁场随时间的变化。”

朱告诉我们，计算出的场与团队的驱动原子运动和自旋声子耦合模型的预期一致 物理世界。这种耦合在诸如在硬盘上写入数据之类的应用中很重要。

研究人员发现“丢失”的角动量

朱说，这些发现不仅为稀土卤化物中的自旋声子耦合提供了新的线索（这一现象在稀土卤化物中尚未完全被理解），还可以使科学家们开发出可以通过光或量子涨落等其他外部场来设计的材料。 “自从我在加州大学伯克利分校做博士后以来，我一直在思考这种可能性，当时我们进行了第一次时间分辨实验来验证二维材料中原子的旋转，”他解释道。 “几年前就预测了这种旋转手性声子模式，从那时起我一直想知道：手性运动可以用来控制电子材料吗？”

目前，朱强调这项工作的主要应用在于基础研究。然而，他补充道，“从长远来看，在理论研究的帮助下，我们也许能够利用原子旋转作为‘调节旋钮’来增强打破时间反转的特性，而这些特性在天然材料中很少见，比如拓扑超导性” 。

莱斯大学的研究人员详细介绍了他们目前的工作 科学，现在希望应用他们的方法来探索其他材料并寻找磁化之外的特性。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/