Ο ατομικός χορός γεννά έναν μαγνήτη

10 Νοεμβρίου 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Τα κβαντικά υλικά κρατούν το κλειδί για ένα μέλλον αστραπιαίας ταχύτητας και ενεργειακά αποδοτικών συστημάτων πληροφοριών. Το πρόβλημα με την αξιοποίηση του μετασχηματιστικού τους δυναμικού είναι ότι, στα στερεά, ο τεράστιος αριθμός ατόμων συχνά πνίγει τις εξωτικές κβαντικές ιδιότητες που φέρουν τα ηλεκτρόνια. Ερευνητές του Πανεπιστημίου Rice στο εργαστήριο κβαντικών υλικών, ο επιστήμονας Hanyu Zhu ανακάλυψαν ότι όταν κινούνται σε κύκλους, τα άτομα μπορούν επίσης να κάνουν θαύματα: Όταν το ατομικό πλέγμα σε έναν κρύσταλλο σπάνιων γαιών ζωντανεύει με μια δόνηση σε σχήμα τιρμπουσόν, γνωστή ως χειρόμορφο φωνόνιο. ο κρύσταλλος μετατρέπεται σε μαγνήτη.

Βασικές τακτικές

Τα κβαντικά υλικά, ειδικά το φθοριούχο δημήτριο, μπορούν να μαγνητιστούν προσωρινά μέσω της ευθυγράμμισης του σπιν ηλεκτρονίων που προκαλείται από χειραλικά φωνόνια, παρακάμπτοντας την ανάγκη για ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο.

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Rice ανακάλυψαν ότι η χειρόμορφη κίνηση των ατομικών δικτυωμάτων σε αυτά τα υλικά επηρεάζει τα σπιν ηλεκτρονίων, ένα φαινόμενο που συνήθως επιτυγχάνεται μόνο με μεγάλα μαγνητικά πεδία.

Αυτό το φαινόμενο μαγνήτισης, που προκαλείται από υπερταχείς παλμούς φωτός, διαρκεί περισσότερο από τη διάρκεια του παλμού φωτός και είναι πιο έντονο σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.

Η έρευνα υπογραμμίζει την απροσδόκητη επίδραση της ατομικής κίνησης στις ιδιότητες των υλικών, αμφισβητώντας την υπόθεση της συμμετρίας χρονικής αντιστροφής στη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων.

Τα ευρήματα συμβάλλουν στην κατανόηση της σύζευξης spin-phonon, βοηθώντας πιθανώς τη μελλοντική έρευνα στον χειρισμό κβαντικού και μαγνητικού υλικού μέσω εξωτερικών πεδίων όπως το φως.

[Ενσωματωμένο περιεχόμενο]

Η έρευνα

Σύμφωνα με μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Επιστήμη ("Μεγάλα αποτελεσματικά μαγνητικά πεδία από χειραλικά φωνόνια σε αλογονίδια σπάνιων γαιών"), η έκθεση του φθοριούχου δημητρίου σε εξαιρετικά γρήγορους παλμούς φωτός στέλνει τα άτομά του σε έναν χορό που στιγμιαία στρατολογεί τα σπιν των ηλεκτρονίων, αναγκάζοντάς τα να ευθυγραμμιστούν με την ατομική περιστροφή. Αυτή η ευθυγράμμιση θα απαιτούσε διαφορετικά ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο για να ενεργοποιηθεί, καθώς το φθοριούχο δημήτριο είναι φυσικά παραμαγνητικό με τυχαία προσανατολισμένα σπιν ακόμη και σε μηδενική θερμοκρασία. «Κάθε ηλεκτρόνιο διαθέτει ένα μαγνητικό σπιν που λειτουργεί σαν μια μικροσκοπική βελόνα πυξίδας ενσωματωμένη στο υλικό, αντιδρώντας στο τοπικό μαγνητικό πεδίο», δήλωσε ο επιστήμονας και συν-συγγραφέας του Rice Materials Boris Yakobson. «Χειρικότητα ⎯ που ονομάζεται επίσης χεραιότητα λόγω του τρόπου με τον οποίο το αριστερό και το δεξί χέρι αντικατοπτρίζονται μεταξύ τους χωρίς να είναι υπερτιθέμενα ⎯ δεν πρέπει να επηρεάζει τις ενέργειες του σπιν των ηλεκτρονίων. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, η χειρόμορφη κίνηση του ατομικού πλέγματος πολώνει τα σπιν μέσα στο υλικό σαν να είχε εφαρμοστεί ένα μεγάλο μαγνητικό πεδίο». Αν και βραχύβια, η δύναμη που ευθυγραμμίζει τις περιστροφές υπερβαίνει τη διάρκεια του παλμού φωτός κατά ένα σημαντικό περιθώριο. Δεδομένου ότι τα άτομα περιστρέφονται μόνο σε συγκεκριμένες συχνότητες και κινούνται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, πρόσθετες μετρήσεις που εξαρτώνται από τη συχνότητα και τη θερμοκρασία επιβεβαιώνουν περαιτέρω ότι η μαγνήτιση συμβαίνει ως αποτέλεσμα του συλλογικού χειρόμορφου χορού των ατόμων. «Η επίδραση της ατομικής κίνησης στα ηλεκτρόνια είναι εκπληκτική, επειδή τα ηλεκτρόνια είναι πολύ ελαφρύτερα και ταχύτερα από τα άτομα», δήλωσε ο Zhu, επικεφαλής της Ράις William Marsh Rice Chair και επίκουρος καθηγητής της επιστήμης των υλικών και της νανομηχανικής. «Τα ηλεκτρόνια μπορούν συνήθως να προσαρμοστούν σε μια νέα ατομική θέση αμέσως, ξεχνώντας την προηγούμενη τροχιά τους. Οι ιδιότητες του υλικού θα παρέμεναν αμετάβλητες εάν τα άτομα πήγαιναν δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα, δηλαδή ταξίδευαν προς τα εμπρός ή προς τα πίσω στο χρόνο ⎯ ένα φαινόμενο που οι φυσικοί αναφέρουν ως συμμετρία αντιστροφής χρόνου». Η ιδέα ότι η συλλογική κίνηση των ατόμων σπάει τη συμμετρία χρονικής αντιστροφής είναι σχετικά πρόσφατη. Τα χειραλικά φωνόνια έχουν πλέον αποδειχθεί πειραματικά σε μερικά διαφορετικά υλικά, αλλά το πώς ακριβώς επηρεάζουν τις ιδιότητες του υλικού δεν είναι καλά κατανοητό. «Θέλαμε να μετρήσουμε ποσοτικά την επίδραση των χειραλικών φωνονίων στις ηλεκτρικές, οπτικές και μαγνητικές ιδιότητες ενός υλικού», είπε ο Zhu. «Επειδή το σπιν αναφέρεται στην περιστροφή των ηλεκτρονίων ενώ τα φωνόνια περιγράφουν την ατομική περιστροφή, υπάρχει μια αφελής προσδοκία ότι τα δύο μπορεί να μιλήσουν μεταξύ τους. Έτσι αποφασίσαμε να εστιάσουμε σε ένα συναρπαστικό φαινόμενο που ονομάζεται σύζευξη σπιν-φωνονίων». Η σύζευξη spin-phonon παίζει σημαντικό ρόλο σε πραγματικές εφαρμογές όπως η εγγραφή δεδομένων σε έναν σκληρό δίσκο. Νωρίτερα αυτό το έτος, η ομάδα του Zhu παρουσίασε μια νέα περίπτωση σύζευξης σπιν-φωνονίων σε μεμονωμένες μοριακές στιβάδες με άτομα να κινούνται γραμμικά και να ανακινούν σπιν. Στα νέα τους πειράματα, ο Zhu και τα μέλη της ομάδας έπρεπε να βρουν έναν τρόπο να οδηγήσουν ένα πλέγμα ατόμων για να κινηθούν με χειρόμορφο τρόπο. Αυτό απαιτούσε τόσο να επιλέξουν το σωστό υλικό όσο και να δημιουργήσουν φως στη σωστή συχνότητα για να στείλουν το ατομικό του πλέγμα με τη βοήθεια θεωρητικού υπολογισμού από τους συνεργάτες. «Δεν υπάρχει πηγή φωτός εκτός ραφιού για τις συχνότητες των φωνονίων μας στα περίπου 10 terahertz», εξήγησε ο Jiaming Luo, μεταπτυχιακός φοιτητής εφαρμοσμένης φυσικής και ο κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Δημιουργήσαμε τους παλμούς φωτός μας αναμειγνύοντας έντονα υπέρυθρα φώτα και στρίβοντας το ηλεκτρικό πεδίο για να «μιλήσουμε» με τα χειραλικά φωνόνια. Επιπλέον, πήραμε άλλους δύο παλμούς υπέρυθρου φωτός για να παρακολουθήσουμε το σπιν και την ατομική κίνηση, αντίστοιχα.» Εκτός από τις γνώσεις σχετικά με τη σύζευξη spin-phonon που προκύπτουν από τα ευρήματα της έρευνας, ο πειραματικός σχεδιασμός και η εγκατάσταση θα βοηθήσουν στην ενημέρωση της μελλοντικής έρευνας σχετικά με μαγνητικά και κβαντικά υλικά. «Ελπίζουμε ότι η ποσοτική μέτρηση του μαγνητικού πεδίου από χειραλικά φωνόνια μπορεί να μας βοηθήσει να αναπτύξουμε πρωτόκολλα πειράματος για τη μελέτη της νέας φυσικής σε δυναμικά υλικά», είπε ο Zhu.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=64035.php