Atomarer Tanz lässt einen Magneten entstehen

Atomarer Tanz lässt einen Magneten entstehen

Zeitstempel: 10. November 2023, 11:24 Uhr
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10. November 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Quantenmaterialien sind der Schlüssel zu einer Zukunft blitzschneller, energieeffizienter Informationssysteme. Das Problem bei der Nutzung ihres transformativen Potenzials besteht darin, dass in Festkörpern die große Anzahl von Atomen oft die exotischen Quanteneigenschaften der Elektronen übertönt. Forscher der Rice University im Labor des Quantenmaterialwissenschaftlers Hanyu Zhu fanden heraus, dass Atome auch Wunder bewirken können, wenn sie sich im Kreis bewegen: Wenn das Atomgitter in einem Seltenerdkristall in eine korkenzieherförmige Schwingung versetzt wird, die als chirales Phonon bekannt ist, Der Kristall verwandelt sich in einen Magneten.

Key Take Away

  • Quantenmaterialien, insbesondere Cerfluorid, können durch chirale Phononen-induzierte Elektronenspinausrichtung vorübergehend magnetisiert werden, ohne dass ein starkes Magnetfeld erforderlich ist.
  • Forscher der Rice University entdeckten, dass die chirale Bewegung der Atomgitter in diesen Materialien die Elektronenspins beeinflusst, ein Effekt, der normalerweise nur bei großen Magnetfeldern erreicht wird.
  • Dieser durch ultraschnelle Lichtpulse induzierte Magnetisierungseffekt überdauert die Dauer des Lichtpulses und ist bei niedrigeren Temperaturen stärker ausgeprägt.
  • Die Forschung verdeutlicht den unerwarteten Einfluss der Atombewegung auf Materialeigenschaften und stellt die Annahme einer Zeitumkehrsymmetrie im Elektronenverhalten in Frage.
  • Die Ergebnisse tragen zum Verständnis der Spin-Phonon-Kopplung bei und unterstützen möglicherweise zukünftige Forschungen zur Manipulation von Quanten- und magnetischen Materialien durch externe Felder wie Licht.

    • [Eingebetteten Inhalt]

    Das Forschungs

    Laut einer Studie aus Wissenschaft („Große effektive Magnetfelder von chiralen Phononen in Seltenerdhalogeniden“) versetzt die Einwirkung ultraschneller Lichtimpulse auf Cerfluorid seine Atome in einen Tanz, der kurzzeitig die Spins von Elektronen anzieht und sie dazu veranlasst, sich an der Atomrotation auszurichten. Diese Ausrichtung würde andernfalls ein starkes Magnetfeld erfordern, um aktiviert zu werden, da Cerfluorid von Natur aus paramagnetisch ist und selbst bei Nulltemperatur zufällig ausgerichtete Spins aufweist. „Jedes Elektron besitzt einen magnetischen Spin, der wie eine winzige Kompassnadel wirkt, die in das Material eingebettet ist und auf das lokale Magnetfeld reagiert“, sagte Rice-Materialwissenschaftler und Co-Autor Boris Yakobson. „Chiralität – auch Händigkeit genannt, weil linke und rechte Hand einander spiegeln, ohne sich zu überlagern – sollte keinen Einfluss auf die Energien des Elektronenspins haben. Aber in diesem Fall polarisiert die chirale Bewegung des Atomgitters die Spins im Inneren des Materials, als ob ein großes Magnetfeld angelegt würde.“ Obwohl sie nur von kurzer Dauer ist, überdauert die Kraft, die die Spins ausrichtet, die Dauer des Lichtimpulses um ein Vielfaches. Da Atome nur bei bestimmten Frequenzen rotieren und sich bei niedrigeren Temperaturen länger bewegen, bestätigen zusätzliche frequenz- und temperaturabhängige Messungen zusätzlich, dass die Magnetisierung als Ergebnis des kollektiven chiralen Tanzes der Atome erfolgt. „Der Effekt der Atombewegung auf Elektronen ist überraschend, weil Elektronen so viel leichter und schneller sind als Atome“, sagte Zhu, Rices William Marsh Rice Chair und Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Nanotechnik. „Elektronen können sich normalerweise sofort an eine neue Atomposition anpassen und vergessen dabei ihre vorherige Flugbahn. Die Materialeigenschaften würden unverändert bleiben, wenn sich Atome im oder gegen den Uhrzeigersinn bewegen würden, also in der Zeit vorwärts oder rückwärts wandern würden – ein Phänomen, das Physiker als Zeitumkehrsymmetrie bezeichnen.“ Die Idee, dass die kollektive Bewegung von Atomen die Zeitumkehrsymmetrie durchbricht, ist relativ neu. Chirale Phononen wurden inzwischen in einigen verschiedenen Materialien experimentell nachgewiesen, aber wie sie sich genau auf die Materialeigenschaften auswirken, ist nicht genau geklärt. „Wir wollten die Wirkung chiraler Phononen auf die elektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften eines Materials quantitativ messen“, sagte Zhu. „Da sich Spin auf die Rotation von Elektronen bezieht, während Phononen die Rotation von Atomen beschreiben, besteht die naive Erwartung, dass die beiden miteinander kommunizieren könnten. Deshalb haben wir beschlossen, uns auf ein faszinierendes Phänomen namens Spin-Phonon-Kopplung zu konzentrieren.“ Die Spin-Phonon-Kopplung spielt bei realen Anwendungen wie dem Schreiben von Daten auf eine Festplatte eine wichtige Rolle. Anfang des Jahres demonstrierte Zhus Gruppe einen neuen Fall der Spin-Phonon-Kopplung in einzelnen Molekülschichten, wobei sich Atome linear bewegten und Spins schüttelten. In ihren neuen Experimenten mussten Zhu und die Teammitglieder einen Weg finden, ein Atomgitter in eine chirale Bewegung zu versetzen. Dies erforderte sowohl die Auswahl des richtigen Materials als auch die Erzeugung von Licht mit der richtigen Frequenz, um mithilfe theoretischer Berechnungen der Mitarbeiter das Atomgitter in Bewegung zu versetzen. „Für unsere Phononenfrequenzen bei etwa 10 Terahertz gibt es keine handelsübliche Lichtquelle“, erklärte Jiaming Luo, ein Doktorand der angewandten Physik und Hauptautor der Studie. „Wir haben unsere Lichtimpulse erzeugt, indem wir intensives Infrarotlicht gemischt und das elektrische Feld verdreht haben, um mit den chiralen Phononen zu ‚sprechen‘. Darüber hinaus haben wir zwei weitere Infrarotlichtimpulse aufgenommen, um den Spin bzw. die Atombewegung zu überwachen.“ Zusätzlich zu den aus den Forschungsergebnissen gewonnenen Erkenntnissen zur Spin-Phonon-Kopplung werden das experimentelle Design und der Aufbau dazu beitragen, zukünftige Forschungen zu Magnet- und Quantenmaterialien zu unterstützen. „Wir hoffen, dass die quantitative Messung des Magnetfelds chiraler Phononen uns bei der Entwicklung von Experimentprotokollen helfen kann, um neuartige Physik in dynamischen Materialien zu untersuchen“, sagte Zhu.

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