Atoomdans doet een magneet ontstaan

Atoomdans doet een magneet ontstaan

Tijdstempel: 10 november 2023 11:24 uur
Bronknooppunt: 2969976
10 nov 2023 (Nanowerk Nieuws) Kwantummaterialen vormen de sleutel tot een toekomst van razendsnelle, energie-efficiënte informatiesystemen. Het probleem met het aanboren van hun transformatieve potentieel is dat in vaste stoffen het enorme aantal atomen vaak de exotische kwantumeigenschappen van elektronen overstemt. Onderzoekers van Rice University in het laboratorium van kwantummateriaalwetenschapper Hanyu Zhu ontdekten dat atomen, wanneer ze in cirkels bewegen, ook wonderen kunnen verrichten: wanneer het atoomrooster in een zeldzaam aardkristal wordt geanimeerd met een kurkentrekkervormige trilling die bekend staat als een chiraal fonon, het kristal wordt omgezet in een magneet.

Key Takeaways

  • Kwantummaterialen, met name ceriumfluoride, kunnen tijdelijk worden gemagnetiseerd door middel van chirale fonon-geïnduceerde elektronenspin-uitlijning, waardoor de noodzaak van een sterk magnetisch veld wordt omzeild.
  • Onderzoekers van Rice University ontdekten dat de chirale beweging van atomaire roosters in deze materialen de elektronenspins beïnvloedt, een effect dat gewoonlijk alleen wordt bereikt met grote magnetische velden.
  • Dit magnetisatie-effect, veroorzaakt door ultrasnelle lichtpulsen, duurt langer dan de duur van de lichtpuls en is meer uitgesproken bij lagere temperaturen.
  • Het onderzoek benadrukt de onverwachte impact van atomaire beweging op materiaaleigenschappen, waardoor de aanname van tijdomkeersymmetrie in elektronengedrag wordt uitgedaagd.
  • De bevindingen dragen bij aan het begrip van de spin-fononkoppeling en kunnen mogelijk bijdragen aan toekomstig onderzoek naar manipulatie van kwantum- en magnetisch materiaal door externe velden zoals licht.

    • [Ingesloten inhoud]

    Het Onderzoek

    Volgens een studie gepubliceerd in Wetenschap (“Grote effectieve magnetische velden van chirale fononen in haliden van zeldzame aardmetalen”), stuurt het blootstellen van ceriumfluoride aan ultrasnelle lichtpulsen zijn atomen in een dans die tijdelijk de spins van elektronen inschakelt, waardoor ze op één lijn komen met de atomaire rotatie. Deze uitlijning zou anders een krachtig magnetisch veld vereisen om te activeren, aangezien ceriumfluoride van nature paramagnetisch is met willekeurig georiënteerde spins, zelfs bij nul temperaturen. “Elk elektron bezit een magnetische spin die werkt als een kleine kompasnaald ingebed in het materiaal en reageert op het lokale magnetische veld”, zegt Rice-materiaalwetenschapper en co-auteur Boris Yakobson. “Chiraliteit ⎯ ook wel handigheid genoemd vanwege de manier waarop de linker- en rechterhand elkaar spiegelen zonder over elkaar heen te leggen ⎯ zou de energieën van de rotatie van de elektronen niet moeten beïnvloeden. Maar in dit geval polariseert de chirale beweging van het atoomrooster de spins in het materiaal alsof er een groot magnetisch veld wordt aangelegd.” Hoewel van korte duur, overtreft de kracht die de spins op één lijn brengt de duur van de lichtpuls met een aanzienlijke marge. Omdat atomen alleen in bepaalde frequenties roteren en langer bewegen bij lagere temperaturen, bevestigen aanvullende frequentie- en temperatuurafhankelijke metingen verder dat magnetisatie optreedt als gevolg van de collectieve chirale dans van de atomen. "Het effect van atomaire beweging op elektronen is verrassend omdat elektronen zoveel lichter en sneller zijn dan atomen", zegt Zhu, William Marsh Rice Chair van Rice en assistent-professor materiaalkunde en nano-engineering. “Elektronen kunnen zich doorgaans onmiddellijk aanpassen aan een nieuwe atomaire positie, waarbij ze hun eerdere traject vergeten. Materiaaleigenschappen zouden onveranderd blijven als atomen met de klok mee of tegen de klok in zouden gaan, dat wil zeggen, voorwaarts of achterwaarts in de tijd zouden reizen, een fenomeen dat natuurkundigen tijdomkeersymmetrie noemen.” Het idee dat de collectieve beweging van atomen de tijdomkeersymmetrie doorbreekt, is relatief recent. Chirale fononen zijn nu experimenteel aangetoond in een aantal verschillende materialen, maar hoe ze de materiaaleigenschappen precies beïnvloeden, is nog niet goed begrepen. "We wilden het effect van chirale fononen op de elektrische, optische en magnetische eigenschappen van een materiaal kwantitatief meten", zei Zhu. “Omdat spin verwijst naar de rotatie van elektronen, terwijl fononen atomaire rotatie beschrijven, bestaat er een naïeve verwachting dat de twee met elkaar zouden kunnen praten. Daarom besloten we ons te concentreren op een fascinerend fenomeen dat spin-fononkoppeling wordt genoemd.” Spin-phonon-koppeling speelt een belangrijke rol in toepassingen in de echte wereld, zoals het schrijven van gegevens op een harde schijf. Eerder dit jaar demonstreerde de groep van Zhu een nieuw voorbeeld van spin-fononkoppeling in afzonderlijke moleculaire lagen, waarbij atomen lineair bewegen en spins schudden. In hun nieuwe experimenten moesten Zhu en de teamleden een manier vinden om een ​​rooster van atomen chiraal te laten bewegen. Dit vereiste zowel dat ze het juiste materiaal kozen als dat ze licht met de juiste frequentie creëerden om de atoomrooster in een werveling te sturen, met behulp van theoretische berekeningen van de medewerkers. “Er bestaat geen kant-en-klare lichtbron voor onze fononfrequenties van ongeveer 10 terahertz”, legt Jiaming Luo uit, een afgestudeerde student toegepaste natuurkunde en hoofdauteur van het onderzoek. “We creëerden onze lichtpulsen door intens infrarood licht te mengen en het elektrische veld te draaien om met de chirale fononen te ‘praten’. Bovendien hebben we nog twee infraroodlichtpulsen genomen om respectievelijk de spin en de atomaire beweging te monitoren.” Naast de inzichten in de spin-fononkoppeling die uit de onderzoeksresultaten zijn afgeleid, zullen het experimentele ontwerp en de opzet bijdragen aan toekomstig onderzoek naar magnetische en kwantummaterialen. "We hopen dat het kwantitatief meten van het magnetische veld van chirale fononen ons kan helpen experimentprotocollen te ontwikkelen om nieuwe natuurkunde in dynamische materialen te bestuderen," zei Zhu.

    Tijdstempel:

    Meer van Nanowerk