Dansul atomic dă naștere unui magnet

Dansul atomic dă naștere unui magnet

Marca temporală: 10 noiembrie 2023, ora 11:24
Nodul sursă: 2969976
10 noiembrie 2023 (Știri Nanowerk) Materialele cuantice dețin cheia unui viitor al sistemelor informaționale eficiente din punct de vedere energetic și cu viteza fulgerului. Problema exploatării potențialului lor de transformare este că, în solide, numărul mare de atomi înecă adesea proprietățile cuantice exotice pe care le au electronii. Cercetătorii de la Universitatea Rice din laboratorul de știință al materialelor cuantice Hanyu Zhu au descoperit că atunci când se mișcă în cercuri, atomii pot face, de asemenea, minuni: când rețeaua atomică dintr-un cristal de pământ rar devine animată cu o vibrație în formă de tirbușon, cunoscută sub numele de fonon chiral, cristalul este transformat într-un magnet.

Intrebari cu cheie

  • Materialele cuantice, în special fluorura de ceriu, pot fi magnetizate temporar prin alinierea spinului electronilor indusă de fononi chiral, ocolind necesitatea unui câmp magnetic puternic.
  • Cercetătorii de la Universitatea Rice au descoperit că mișcarea chirală a rețelelor atomice din aceste materiale influențează spinarea electronilor, efect obținut de obicei doar cu câmpuri magnetice mari.
  • Acest efect de magnetizare, indus de impulsuri de lumină ultrarapide, durează mai mult decât durata impulsului de lumină și este mai pronunțat la temperaturi mai scăzute.
  • Cercetarea evidențiază impactul neașteptat al mișcării atomice asupra proprietăților materialelor, provocând ipoteza simetriei inversării timpului în comportamentul electronilor.
  • Descoperirile contribuie la înțelegerea cuplării spin-fonon, ajutând potențial cercetările viitoare în manipularea materialului cuantic și magnetic prin câmpuri externe precum lumina.

    • [Conținutul încorporat]

    Cercetarea

    Potrivit unui studiu publicat în Ştiinţă („Câmpuri magnetice eficiente mari de la fononi chirali în halogenuri de pământuri rare”), expunerea fluorurii de ceriu la impulsuri ultrarapide de lumină trimite atomii săi într-un dans care înrolează momentan rotațiile electronilor, determinându-i să se alinieze cu rotația atomică. Această aliniere ar necesita, altfel, un câmp magnetic puternic pentru a se activa, deoarece fluorura de ceriu este în mod natural paramagnetică cu rotiri orientate aleatoriu chiar și la temperatură zero. „Fiecare electron posedă un spin magnetic care acționează ca un mic ac de busolă încorporat în material, reacționând la câmpul magnetic local”, a spus cercetătorul și coautorul din Rice, Boris Yakobson. „Chiralitatea – numită și handedness din cauza modului în care mâinile stânga și dreaptă se oglindesc reciproc fără a fi superpozabile – nu ar trebui să afecteze energiile spinului electronilor. Dar, în acest caz, mișcarea chirală a rețelei atomice polarizează rotațiile din interiorul materialului ca și cum ar fi aplicat un câmp magnetic mare.” Deși de scurtă durată, forța care aliniază rotațiile durează cu o marjă semnificativă mai mult decât durata pulsului de lumină. Deoarece atomii se rotesc doar la anumite frecvențe și se mișcă mai mult timp la temperaturi mai scăzute, măsurători suplimentare dependente de frecvență și temperatură confirmă în continuare că magnetizarea are loc ca urmare a dansului chiral colectiv al atomilor. „Efectul mișcării atomice asupra electronilor este surprinzător, deoarece electronii sunt mult mai ușori și mai rapidi decât atomii”, a spus Zhu, profesorul Rice William Marsh Rice și profesor asistent de știința materialelor și nanoinginerie. „Electronii se pot adapta de obicei la o nouă poziție atomică imediat, uitând traiectoria lor anterioară. Proprietățile materialelor ar rămâne neschimbate dacă atomii ar merge în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic, adică ar călători înainte sau înapoi în timp – un fenomen la care fizicienii îl numesc simetrie inversă în timp.” Ideea că mișcarea colectivă a atomilor rupe simetria inversării timpului este relativ recentă. Fononii chirali au fost acum demonstrati experimental în câteva materiale diferite, dar exact cum au impact asupra proprietăților materialelor nu este bine înțeles. „Am vrut să măsurăm cantitativ efectul fononilor chirali asupra proprietăților electrice, optice și magnetice ale unui material”, a spus Zhu. „Deoarece spin se referă la rotația electronilor în timp ce fononii descriu rotația atomică, există o așteptare naivă că cei doi ar putea vorbi unul cu celălalt. Așa că am decis să ne concentrăm asupra unui fenomen fascinant numit cuplarea spin-phonon.” Cuplarea spin-fonon joacă un rol important în aplicațiile din lumea reală, cum ar fi scrierea datelor pe un hard disk. La începutul acestui an, grupul lui Zhu a demonstrat o nouă instanță de cuplare spin-fonon în straturi moleculare unice, cu atomii care se mișcă liniar și se agită rotații. În noile lor experimente, Zhu și membrii echipei au trebuit să găsească o modalitate de a conduce o rețea de atomi să se miște într-un mod chiral. Acest lucru a necesitat atât să aleagă materialul potrivit, cât și să creeze lumină la frecvența potrivită pentru a-și trimite rețeaua atomică în vârtej cu ajutorul calculelor teoretice de la colaboratori. „Nu există nicio sursă de lumină disponibilă pentru frecvențele noastre de fonon la aproximativ 10 teraherți”, a explicat Jiaming Luo, un student absolvent de fizică aplicată și autorul principal al studiului. „Ne-am creat impulsurile de lumină amestecând lumini infraroșii intense și răsucind câmpul electric pentru a „vorbi” cu fononii chirali. Mai mult, am luat alte două impulsuri de lumină infraroșie pentru a monitoriza rotația și, respectiv, mișcarea atomică.” Pe lângă informațiile despre cuplarea spin-fonon derivate din rezultatele cercetării, designul experimental și configurarea vor ajuta la informarea cercetărilor viitoare privind materialele magnetice și cuantice. „Sperăm că măsurarea cantitativă a câmpului magnetic de la fononi chirali ne poate ajuta să dezvoltăm protocoale de experiment pentru a studia fizica nouă în materiale dinamice”, a spus Zhu.

    Timestamp-ul:

    Mai mult de la Nanowerk