Atomski ples povzroči magnet

Atomski ples povzroči magnet

Časovni žig: 10. november 2023 11:24
Izvorno vozlišče: 2969976
10. november 2023 (Nanowerk novice) Kvantni materiali so ključ do prihodnosti bliskovito hitrih in energetsko učinkovitih informacijskih sistemov. Težava pri izkoriščanju njihovega preobrazbenega potenciala je, da v trdnih snoveh veliko število atomov pogosto preglasi eksotične kvantne lastnosti, ki jih nosijo elektroni. Raziskovalci univerze Rice v laboratoriju znanstvenika za kvantne materiale Hanyuja Zhuja so ugotovili, da lahko tudi atomi, ko se gibljejo v krogih, delajo čudeže: ko se atomska mreža v kristalu redkih zemelj oživi z vibracijo v obliki zamaška, znano kot kiralni fonon, kristal se spremeni v magnet.

Ključni izdelki

  • Kvantne materiale, zlasti cerijev fluorid, je mogoče začasno magnetizirati s poravnavo spinov elektronov, inducirano s kiralnimi fononi, pri čemer se izognemo potrebi po močnem magnetnem polju.
  • Raziskovalci z univerze Rice so odkrili, da kiralno gibanje atomskih mrež v teh materialih vpliva na vrtenje elektronov, učinek, ki se običajno doseže samo z velikimi magnetnimi polji.
  • Ta učinek magnetizacije, ki ga povzročajo ultra hitri svetlobni impulzi, traja dlje od trajanja svetlobnega impulza in je bolj izrazit pri nižjih temperaturah.
  • Raziskava poudarja nepričakovan vpliv gibanja atomov na lastnosti materiala, kar izpodbija predpostavko o simetriji časovnega obrata v obnašanju elektronov.
  • Ugotovitve prispevajo k razumevanju spin-fononske sklopitve, kar bi lahko pomagalo prihodnjim raziskavam kvantne in magnetne manipulacije materiala prek zunanjih polj, kot je svetloba.

    • [Vgrajeni vsebina]

    Raziskave

    Glede na raziskavo, objavljeno v Znanost ("Velika učinkovita magnetna polja kiralnih fononov v halogenidih redkih zemelj"), izpostavljanje cerijevega fluorida ultrahitrim svetlobnim pulzom pošlje njegove atome v ples, ki za trenutek vključi vrtljaje elektronov, zaradi česar se ti uskladijo z rotacijo atoma. Ta poravnava bi sicer zahtevala močno magnetno polje za aktiviranje, saj je cerijev fluorid naravno paramagneten z naključno usmerjenimi vrtljaji tudi pri ničelni temperaturi. "Vsak elektron ima magnetni vrtljaj, ki deluje kot majhna igla kompasa, vdelana v material, ki se odziva na lokalno magnetno polje," je povedal Riceov znanstvenik in soavtor Boris Yakobson. »Kiralnost ⎯ imenovana tudi ročnost zaradi načina, na katerega se leva in desna roka zrcalita, ne da bi se prekrivali ⎯ ne bi smela vplivati ​​na energije vrtenja elektronov. Toda v tem primeru kiralno gibanje atomske mreže polarizira vrtljaje znotraj materiala, kot da bi bilo uporabljeno veliko magnetno polje. Čeprav je kratkotrajna, sila, ki poravna vrtljaje, traja precej dlje od trajanja svetlobnega impulza. Ker se atomi vrtijo le pri določenih frekvencah in se gibljejo dlje časa pri nižjih temperaturah, dodatne meritve, odvisne od frekvence in temperature, dodatno potrjujejo, da se magnetizacija pojavi kot posledica skupnega kiralnega plesa atomov. "Učinek atomskega gibanja na elektrone je presenetljiv, ker so elektroni veliko lažji in hitrejši od atomov," je dejal Zhu, Riceov predsedujoči William Marsh Rice in docent za znanost o materialih in nanoinženiring. »Elektroni se lahko običajno takoj prilagodijo novemu atomskemu položaju in pozabijo na svojo prejšnjo pot. Lastnosti materiala bi ostale nespremenjene, če bi se atomi gibali v smeri urinega kazalca ali nasprotni, tj. potovali naprej ali nazaj v času – pojav, ki ga fiziki imenujejo simetrija obratnega časa.« Ideja, da kolektivno gibanje atomov prekine simetrijo časovnega obrata, je relativno nova. Kiralni fononi so bili zdaj eksperimentalno dokazani v nekaj različnih materialih, vendar natančno, kako vplivajo na lastnosti materiala, ni dobro razumljeno. "Želeli smo kvantitativno izmeriti učinek kiralnih fononov na električne, optične in magnetne lastnosti materiala," je dejal Zhu. »Ker se vrtenje nanaša na rotacijo elektronov, medtem ko fononi opisujejo rotacijo atomov, obstaja naivno pričakovanje, da bi se lahko pogovarjala drug z drugim. Zato smo se odločili, da se osredotočimo na fascinanten pojav, imenovan spin-fononska sklopitev.« Spin-fononska sklopitev igra pomembno vlogo v aplikacijah v realnem svetu, kot je pisanje podatkov na trdi disk. V začetku tega leta je Zhujeva skupina pokazala nov primer sklopitve spin-fonon v posameznih molekularnih plasteh z atomi, ki se premikajo linearno in tresejo vrtljaje. V svojih novih eksperimentih so morali Zhu in člani ekipe najti način, kako spodbuditi mrežo atomov, da se premikajo na kiralni način. To je zahtevalo tako, da so izbrali pravi material in da so ustvarili svetlobo na pravi frekvenci, da pošljejo svojo atomsko mrežo v vrtinčenje s pomočjo teoretičnega izračuna sodelavcev. "Za naše fononske frekvence pri približno 10 terahercih ni nobenega standardnega vira svetlobe," je pojasnil Jiaming Luo, podiplomski študent uporabne fizike in glavni avtor študije. »Naše svetlobne impulze smo ustvarili z mešanjem intenzivnih infrardečih luči in zvijanjem električnega polja, da se 'pogovarja' s kiralnimi fononi. Poleg tega smo vzeli še dva infrardeča svetlobna impulza za spremljanje vrtenja oziroma atomskega gibanja. Poleg vpogledov v spin-fononsko sklopitev, ki izhaja iz ugotovitev raziskave, bosta eksperimentalna zasnova in postavitev pomagala obveščati prihodnje raziskave o magnetnih in kvantnih materialih. "Upamo, da nam lahko kvantitativno merjenje magnetnega polja iz kiralnih fononov pomaga razviti eksperimentalne protokole za preučevanje nove fizike v dinamičnih materialih," je dejal Zhu.

    Časovni žig:

    Več od Nanowerk