الرقص الذري يؤدي إلى ظهور المغناطيس

الرقص الذري يؤدي إلى ظهور المغناطيس

الطابع الزمني: 10 نوفمبر 2023 الساعة 11:24 صباحًا
عقدة المصدر: 2969976
10 نوفمبر 2023 (أخبار Nanowerk) تحمل المواد الكمومية مفتاح مستقبل أنظمة المعلومات فائقة السرعة والموفرة للطاقة. المشكلة في استغلال إمكاناتها التحويلية هي أن العدد الهائل من الذرات في المواد الصلبة غالبًا ما يحجب الخصائص الكمية الغريبة التي تحملها الإلكترونات. وجد باحثون من جامعة رايس في مختبر عالم المواد الكمومية هانيو تشو أنه عندما تتحرك الذرات في دوائر، يمكنها أيضًا أن تصنع العجائب: عندما تصبح الشبكة الذرية في بلورة أرضية نادرة متحركة باهتزاز على شكل حلزوني يُعرف باسم الفونون اللولبي، تتحول البلورة إلى مغناطيس.

الوجبات السريعة الرئيسية

  • يمكن مغنطة المواد الكمومية، وتحديدًا فلوريد السيريوم، مؤقتًا من خلال محاذاة دوران الإلكترون الناجم عن الفونون، متجاوزًا الحاجة إلى مجال مغناطيسي قوي.
  • اكتشف باحثون من جامعة رايس أن الحركة اللولبية للشبكات الذرية في هذه المواد تؤثر على دوران الإلكترون، وهو تأثير لا يتحقق عادة إلا مع المجالات المغناطيسية الكبيرة.
  • تأثير المغنطة هذا، الناتج عن نبضات الضوء فائقة السرعة، يدوم لفترة أطول من نبضة الضوء ويكون أكثر وضوحًا عند درجات الحرارة المنخفضة.
  • يسلط البحث الضوء على التأثير غير المتوقع للحركة الذرية على خصائص المواد، مما يتحدى افتراض التماثل العكسي الزمني في سلوك الإلكترون.
  • تساهم النتائج في فهم اقتران السبين والفونون، مما قد يساعد في الأبحاث المستقبلية في معالجة المواد الكمومية والمغناطيسية من خلال المجالات الخارجية مثل الضوء.

    • [المحتوى جزءا لا يتجزأ]

    البحث

    وفقا لدراسة نشرت في علوم ("مجالات مغناطيسية فعالة كبيرة من الفونونات اللولبية في هاليدات الأرض النادرة") ، فإن تعريض فلوريد السيريوم لنبضات ضوئية فائقة السرعة يرسل ذراته إلى رقصة تستقطب للحظات دوران الإلكترونات، مما يجعلها تتماشى مع الدوران الذري. ستتطلب هذه المحاذاة مجالًا مغناطيسيًا قويًا لتنشيطها، نظرًا لأن فلوريد السيريوم ذو مغناطيسية طبيعية مع دوران موجه بشكل عشوائي حتى عند درجة حرارة الصفر. قال بوريس ياكوبسون، عالم مواد رايس والمؤلف المشارك: "يمتلك كل إلكترون دورانًا مغناطيسيًا يعمل مثل إبرة بوصلة صغيرة مدمجة في المادة، ويتفاعل مع المجال المغناطيسي المحلي". "اللامركزية - والتي تسمى أيضًا استخدام إحدى اليدين بسبب الطريقة التي تعكس بها اليد اليسرى واليمنى بعضها البعض دون أن تكون قابلة للتركيب - لا ينبغي أن تؤثر على طاقات دوران الإلكترونات. ولكن في هذه الحالة، فإن الحركة اللولبية للشبكة الذرية تستقطب السبينات داخل المادة كما لو تم تطبيق مجال مغناطيسي كبير. على الرغم من أنها قصيرة العمر، فإن القوة التي تقوم بمحاذاة السبينات تدوم أكثر من مدة نبضة الضوء بهامش كبير. نظرًا لأن الذرات تدور فقط بترددات معينة وتتحرك لفترة أطول عند درجات حرارة منخفضة، فإن القياسات الإضافية المعتمدة على التردد ودرجة الحرارة تؤكد أيضًا أن المغنطة تحدث نتيجة للرقص اللولبي الجماعي للذرات. قال تشو، رئيس قسم ويليام مارش رايس في جامعة رايس والأستاذ المساعد في علوم المواد وهندسة النانو: "إن تأثير الحركة الذرية على الإلكترونات أمر مثير للدهشة لأن الإلكترونات أخف بكثير وأسرع من الذرات". "يمكن للإلكترونات عادة أن تتكيف مع موقع ذري جديد على الفور، متناسية مسارها السابق. ستبقى خصائص المادة دون تغيير إذا تحركت الذرات في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة، أي أنها انتقلت إلى الأمام أو إلى الخلف في الوقت المناسب - وهي ظاهرة يشير إليها الفيزيائيون باسم التناظر العكسي للزمن. إن فكرة أن الحركة الجماعية للذرات تكسر التناظر العكسي الزمني هي فكرة حديثة نسبيًا. لقد تم الآن إثبات الفونونات اللولبية بشكل تجريبي في عدد قليل من المواد المختلفة، ولكن كيفية تأثيرها على خصائص المواد ليست مفهومة جيدًا. وقال تشو: "أردنا إجراء قياس كمي لتأثير الفونونات اللولبية على الخواص الكهربائية والضوئية والمغناطيسية للمادة". "نظرًا لأن الدوران يشير إلى دوران الإلكترونات بينما تشير الفونونات إلى دوران الذرة، فإن هناك توقعًا ساذجًا بأن الاثنين قد يتحدثان مع بعضهما البعض. لذلك قررنا التركيز على ظاهرة رائعة تسمى اقتران الفونون المغزلي. يلعب اقتران Spin-phonon دورًا مهمًا في تطبيقات العالم الحقيقي مثل كتابة البيانات على القرص الصلب. في وقت سابق من هذا العام، أظهرت مجموعة تشو مثالًا جديدًا لاقتران السبين-فونون في طبقات جزيئية مفردة، حيث تتحرك الذرات خطيًا وتدور بشكل مهتز. وفي تجاربهم الجديدة، كان على تشو وأعضاء الفريق إيجاد طريقة لدفع شبكة من الذرات للتحرك بطريقة مراوانية. يتطلب هذا منهم اختيار المادة المناسبة وإنشاء ضوء بالتردد المناسب لإرسال شبكته الذرية إلى دوامة بمساعدة الحسابات النظرية من المتعاونين. وأوضح جيامينغ لوه، طالب دراسات عليا في الفيزياء التطبيقية والمؤلف الرئيسي للدراسة: "لا يوجد مصدر ضوء جاهز لترددات فونوننا عند حوالي 10 تيراهيرتز". "لقد أنشأنا نبضاتنا الضوئية عن طريق مزج أضواء الأشعة تحت الحمراء المكثفة ولف المجال الكهربائي "للتحدث" مع الفونونات اللولبية. علاوة على ذلك، أخذنا نبضتين أخريين من الأشعة تحت الحمراء لمراقبة الدوران والحركة الذرية، على التوالي. بالإضافة إلى الأفكار المتعمقة حول اقتران السبين-فونون المستمدة من نتائج البحث، سيساعد التصميم والإعداد التجريبي في إعلام الأبحاث المستقبلية حول المواد المغناطيسية والكمية. وقال تشو: "نأمل أن يساعدنا القياس الكمي للمجال المغناطيسي من الفونونات اللولبية في تطوير بروتوكولات تجربة لدراسة فيزياء جديدة في المواد الديناميكية".

    الطابع الزمني:

    اكثر من نانوويرك