Atomitanssi synnyttää magneetin

Atomitanssi synnyttää magneetin

Aikaleima: 10. marraskuuta 2023 11
Lähdesolmu: 2969976
10. marraskuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Kvanttimateriaalit ovat avain salamannopeiden ja energiatehokkaiden tietojärjestelmien tulevaisuuteen. Ongelma niiden muuntumispotentiaalin hyödyntämisessä on se, että kiinteissä aineissa suuri määrä atomeja usein hukuttaa elektronien mukanaan tuomat eksoottiset kvanttiominaisuudet. Rice-yliopiston tutkijat kvanttimateriaalitutkijan Hanyu Zhun laboratoriossa havaitsivat, että kun atomit liikkuvat ympyröissä, ne voivat myös tehdä ihmeitä: Kun harvinaisen maametallin kiteen atomihila animoituu korkkiruuvin muotoisella värähtelyllä, joka tunnetaan kiraalisena fononina, kide muuttuu magneetiksi.

Keskeiset ostokset

  • Kvanttimateriaaleja, erityisesti seriumfluoridia, voidaan väliaikaisesti magnetoida kiraalisen fononien aiheuttaman elektronien spin-kohdistuksen avulla ohittaen voimakkaan magneettikentän tarpeen.
  • Rice Universityn tutkijat havaitsivat, että näiden materiaalien atomihilojen kiraalinen liike vaikuttaa elektronien spineihin, mikä yleensä saavutetaan vain suurilla magneettikentillä.
  • Tämä ultranopeiden valopulssien aikaansaama magnetointivaikutus kestää valopulssin keston ja on voimakkaampi alemmissa lämpötiloissa.
  • Tutkimus korostaa atomin liikkeen odottamatonta vaikutusta materiaalin ominaisuuksiin, mikä haastaa oletuksen elektronien käyttäytymisen aika-kääntösymmetriasta.
  • Löydökset auttavat ymmärtämään spin-fononikytkennän, mikä mahdollisesti auttaa tulevaa tutkimusta kvantti- ja magneettimateriaalien manipuloinnista ulkoisten kenttien, kuten valon, kautta.

    • [Upotetun sisällön]

    Tutkimus

    Vuonna 2001 julkaistun tutkimuksen mukaan tiede ("Suuret tehokkaat magneettikentät harvinaisten maametallien halogenideissa olevista kiraalisista fononeista"), seriumfluoridin altistaminen ultranopeille valopulsseille lähettää sen atomit tanssiin, joka aktivoi elektronien spinit hetkellisesti ja saa ne kohdakkain atomin kiertoliikkeen kanssa. Tämä kohdistus vaatisi muuten voimakkaan magneettikentän aktivoituakseen, koska ceriumfluoridi on luonnostaan ​​paramagneettinen ja pyörii satunnaisesti jopa nollalämpötilassa. "Jokaisessa elektronissa on magneettinen spin, joka toimii kuin pieni kompassin neula materiaaliin upotettuna ja reagoi paikalliseen magneettikenttään", sanoi Rice-materiaalitutkija ja toinen kirjoittaja Boris Yakobson. "Kiraliteettia ⎯ kutsutaan myös kätisyydeksi, koska vasen ja oikea käsi peilaavat toisiaan olematta päällekkäisiä ⎯ ei saisi vaikuttaa elektronien spinin energioihin. Mutta tässä tapauksessa atomihilan kiraalinen liike polarisoi spinit materiaalin sisällä ikään kuin suuri magneettikenttä käytettäisiin." Vaikka se on lyhytikäinen, voima, joka kohdistaa spinit, kestää valopulssin keston huomattavasti kauemmin. Koska atomit pyörivät vain tietyillä taajuuksilla ja liikkuvat pidempään alemmissa lämpötiloissa, taajuudesta ja lämpötilasta riippuvat lisämittaukset vahvistavat edelleen, että magnetoituminen tapahtuu atomien kollektiivisen kiraalisen tanssin seurauksena. "Atomien liikkeen vaikutus elektroneihin on yllättävä, koska elektronit ovat niin paljon kevyempiä ja nopeampia kuin atomit", sanoi Zhu, Ricen William Marsh Rice Chair ja materiaalitieteen ja nanotekniikan apulaisprofessori. "Elektronit voivat yleensä sopeutua uuteen atomiasemaan välittömästi, unohtaen aiemman liikeradansa. Materiaalin ominaisuudet säilyisivät ennallaan, jos atomit kulkisivat myötä- tai vastapäivään eli kulkisivat ajassa eteen- tai taaksepäin ⎯ ilmiö, jota fyysikot kutsuvat aika-käänteissymmetriaksi. Ajatus siitä, että atomien kollektiivinen liike rikkoo ajan käänteisen symmetrian, on suhteellisen uusi. Kiraalisia fononeja on nyt osoitettu kokeellisesti muutamissa eri materiaaleissa, mutta tarkkaan, kuinka ne vaikuttavat materiaalin ominaisuuksiin, ei ole hyvin ymmärretty. "Halusimme kvantitatiivisesti mitata kiraalisten fononien vaikutusta materiaalin sähköisiin, optisiin ja magneettisiin ominaisuuksiin", Zhu sanoi. "Koska spin viittaa elektronien pyörimiseen, kun taas fononit kuvaavat atomikiertoa, on naiivi odotus, että nämä kaksi voisivat puhua keskenään. Joten päätimme keskittyä kiehtovaan ilmiöön, jota kutsutaan spin-fononikytkemiseksi. Spin-fononikytkennällä on tärkeä rooli reaalimaailman sovelluksissa, kuten tietojen kirjoittamisessa kiintolevylle. Aiemmin tänä vuonna Zhun ryhmä esitteli uutta spin-fononikytkentöä yksittäisissä molekyylikerroksissa atomien liikkuessa lineaarisesti ja ravistaen spinejä. Uusissa kokeissaan Zhu ja tiimin jäsenet joutuivat löytämään tavan saada atomihila liikkumaan kiraalisesti. Tämä vaati sekä oikean materiaalin valitsemista että valon luomista oikealla taajuudella lähettääkseen sen atomihilan pyörteeksi yhteistyökumppaneiden teoreettisen laskennan avulla. "Noin 10 terahertsin fononitaajuuksillemme ei ole valmiita valonlähdettä", selitti Jiaming Luo, soveltavan fysiikan jatko-opiskelija ja tutkimuksen johtava kirjoittaja. "Loimme valopulssimme sekoittamalla voimakkaita infrapunavaloja ja kiertämällä sähkökenttää "puhumaan" kiraalisille fononeille. Lisäksi otimme kaksi infrapunavalopulssia seurataksemme pyörimistä ja atomin liikettä. Tutkimustuloksista saatujen spin-fononikytkentöihin liittyvien oivallusten lisäksi kokeellinen suunnittelu ja järjestely auttavat tulevaisuuden magneetti- ja kvanttimateriaalien tutkimuksessa. "Toivomme, että kiraalisten fononien magneettikentän kvantitatiivinen mittaaminen voi auttaa meitä kehittämään koeprotokollia uudenlaisen fysiikan tutkimiseksi dynaamisissa materiaaleissa", Zhu sanoi.

    Aikaleima:

    Lisää aiheesta Nanowerk