원자 춤은 자석을 발생시킵니다

원자 춤은 자석을 발생시킵니다

타임 스탬프 : 10 년 2023 월 11 일 오전 24:XNUMX
소스 노드 : 2969976
10 년 2023 월 XNUMX 일 (나노 워크 뉴스) 양자 재료는 빛처럼 빠른 속도, 에너지 효율적인 정보 시스템의 미래를 여는 열쇠를 쥐고 있습니다. 변형 잠재력을 활용할 때의 문제는 고체에서 엄청난 수의 원자가 종종 전자가 가지고 있는 이국적인 양자 특성을 익사시킨다는 것입니다. 양자 재료 과학자 Hanyu Zhu 연구실의 라이스 대학교 연구원들은 원자가 원을 그리며 움직일 때 놀라운 일을 할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 희토류 결정의 원자 격자가 키랄 포논으로 알려진 코르크 마개 모양의 진동으로 애니메이션화되면, 크리스탈은 자석으로 변형됩니다.

주요 요점

  • 양자 물질, 특히 불화세륨은 키랄 포논 유도 전자 스핀 정렬을 통해 일시적으로 자화될 수 있어 강한 자기장이 필요하지 않습니다.
  • 라이스대학교 연구자들은 이러한 물질에서 원자 격자의 키랄 운동이 전자 스핀에 영향을 미친다는 사실을 발견했는데, 이는 일반적으로 큰 자기장에서만 달성되는 효과입니다.
  • 초고속 광 펄스에 의해 유도된 이 자화 효과는 광 펄스의 지속 시간보다 오래 지속되며 낮은 온도에서 더욱 두드러집니다.
  • 이번 연구는 전자 거동의 시간 역전 대칭 가정에 도전하면서 원자 운동이 물질 특성에 미치는 예상치 못한 영향을 강조합니다.
  • 이번 발견은 스핀-포논 결합을 이해하는 데 도움이 되며, 빛과 같은 외부 장을 통한 양자 및 자성 물질 조작에 대한 향후 연구에 잠재적으로 도움이 될 것입니다.

    • [포함 된 콘텐츠]

    연구

    에 발표 된 연구에 따르면 과학 (“희토류 할로겐화물의 키랄 포논에서 나오는 큰 유효 자기장”), 불화세륨을 초고속 빛 펄스에 노출시키면 원자가 춤을 추며 순간적으로 전자 스핀을 불러일으켜 원자 회전과 정렬됩니다. 그렇지 않으면 이 정렬을 활성화하려면 강력한 자기장이 필요합니다. 왜냐하면 불화세륨은 자연적으로 상자성이므로 온도가 XNUMX에서도 무작위로 방향이 지정된 스핀을 가지기 때문입니다. 라이스 재료 과학자이자 공동 저자인 보리스 야콥슨(Boris Yakobson)은 “각 전자는 재료에 내장된 작은 나침반 바늘처럼 작용하여 국지적인 자기장에 반응하는 자기 스핀을 가지고 있습니다. “키랄성(⎯)은 왼손과 오른손이 겹쳐지지 않고 서로 거울을 이루는 방식 때문에 손 모양이라고도 하며 전자의 스핀 에너지에 영향을 주어서는 안 됩니다. 그러나 이 경우 원자 격자의 키랄 운동은 마치 큰 자기장이 적용된 것처럼 물질 내부의 스핀을 분극화시킵니다." 수명은 짧지만 스핀을 정렬하는 힘은 광 펄스의 지속 시간보다 훨씬 더 오래 지속됩니다. 원자는 특정 주파수에서만 회전하고 더 낮은 온도에서 더 오랜 시간 동안 움직이기 때문에 추가적인 주파수 및 온도 의존 측정을 통해 원자의 집합적인 키랄 댄스의 결과로 자화가 발생한다는 것을 더욱 확인할 수 있습니다. "전자는 원자보다 훨씬 가볍고 빠르기 때문에 전자에 대한 원자 운동의 효과는 놀랍습니다"라고 Rice 대학의 William Marsh Rice 의장이자 재료 과학 및 나노공학 조교수인 Zhu가 말했습니다. “전자는 일반적으로 이전 궤도를 잊어버리고 새로운 원자 위치에 즉시 적응할 수 있습니다. 원자가 시계 방향이나 시계 반대 방향으로 이동하더라도, 즉 시간이 앞뒤로 이동하더라도 물질의 특성은 변하지 않을 것입니다. 이는 물리학자들이 시간 역전 대칭이라고 부르는 현상입니다.” 원자의 집단 운동이 시간 역전 대칭을 깨뜨린다는 생각은 비교적 최근에 나온 것입니다. 키랄 포논은 이제 몇 가지 다른 재료에서 실험적으로 입증되었지만 재료 특성에 정확히 어떻게 영향을 미치는지는 잘 이해되지 않습니다. Zhu는 “우리는 물질의 전기적, 광학적, 자기적 특성에 대한 키랄 포논의 효과를 정량적으로 측정하고 싶었다”고 말했습니다. “스핀은 전자의 회전을 나타내고 포논은 원자 회전을 나타내기 때문에 둘이 서로 대화할 것이라는 순진한 기대가 있습니다. 그래서 우리는 스핀-포논 결합이라는 흥미로운 현상에 초점을 맞추기로 결정했습니다.” 스핀-포논 결합은 하드 디스크에 데이터를 쓰는 것과 같은 실제 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 올해 초 Zhu의 그룹은 원자가 선형으로 움직이고 스핀을 흔드는 단일 분자층에서 스핀-포논 결합의 새로운 사례를 시연했습니다. 새로운 실험에서 Zhu와 팀원들은 원자 격자가 키랄 방식으로 움직이도록 유도하는 방법을 찾아야 했습니다. 이를 위해서는 올바른 재료를 선택하고 공동 작업자의 이론적 계산을 통해 원자 격자를 소용돌이로 보낼 수 있는 올바른 주파수의 빛을 생성해야 했습니다. 응용 물리학 대학원생이자 이번 연구의 주저자인 Jiaming Luo는 “약 10테라헤르츠의 포논 주파수를 위한 기성 광원은 없습니다.”라고 설명했습니다. “우리는 강렬한 적외선을 혼합하고 전기장을 비틀어 키랄 포논과 '대화'함으로써 광 펄스를 생성했습니다. 게다가 우리는 스핀과 원자 운동을 각각 모니터링하기 위해 두 개의 적외선 펄스를 추가로 사용했습니다.” 연구 결과에서 파생된 스핀-포논 결합에 대한 통찰력 외에도 실험 설계 및 설정은 자성 및 양자 재료에 대한 향후 연구에 정보를 제공하는 데 도움이 될 것입니다. Zhu는 “키랄 포논의 자기장을 정량적으로 측정하면 동적 재료의 새로운 물리학을 연구하기 위한 실험 프로토콜을 개발하는 데 도움이 될 수 있기를 바랍니다.”라고 말했습니다.

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