Atomdans ger upphov till en magnet

Atomdans ger upphov till en magnet

Tidsstämpel: 10 november 2023 11:24
Källnod: 2969976
10 nov 2023 (Nanowerk Nyheter) Kvantmaterial har nyckeln till en framtid med blixtsnabba, energieffektiva informationssystem. Problemet med att utnyttja deras transformativa potential är att det stora antalet atomer i fasta ämnen ofta dränker de exotiska kvantegenskaper som elektroner bär. Rice University-forskare i labbet av kvantmaterialforskaren Hanyu Zhu fann att när de rör sig i cirklar kan atomer också göra underverk: När atomgittret i en kristall av sällsynta jordartsmetaller blir animerad med en korkskruvsformad vibration som kallas en kiral fonon, kristallen förvandlas till en magnet.

Key Takeaways

  • Kvantmaterial, särskilt ceriumfluorid, kan tillfälligt magnetiseras genom kiral fononinducerad elektronspinjustering, vilket kringgår behovet av ett starkt magnetfält.
  • Rice University forskare upptäckte att den kirala rörelsen av atomgitter i dessa material påverkar elektronsnurr, en effekt som vanligtvis endast uppnås med stora magnetfält.
  • Denna magnetiseringseffekt, inducerad av ultrasnabba ljuspulser, varar längre än ljuspulsens varaktighet och är mer uttalad vid lägre temperaturer.
  • Forskningen belyser den oväntade inverkan av atomär rörelse på materialegenskaper, och utmanar antagandet om tidsomkastande symmetri i elektronbeteende.
  • Fynden bidrar till att förstå spin-fononkoppling, vilket kan hjälpa framtida forskning inom kvant- och magnetiskt materialmanipulation genom yttre fält som ljus.

    • [Inbäddat innehåll]

    Forskningen

    Enligt en studie publicerad i Vetenskap ("Stora effektiva magnetfält från kirala fononer i sällsynta jordartsmetallhalider"), genom att utsätta ceriumfluorid för ultrasnabba ljuspulser skickas dess atomer till en dans som tillfälligt lockar till sig elektronsnurr, vilket får dem att anpassa sig till atomrotationen. Denna inriktning skulle annars kräva ett kraftfullt magnetfält för att aktiveras, eftersom ceriumfluorid är naturligt paramagnetisk med slumpmässigt orienterade spinn även vid noll temperatur. "Varje elektron har ett magnetiskt spinn som fungerar som en liten kompassnål inbäddad i materialet, som reagerar på det lokala magnetfältet", säger Rice materialforskare och medförfattare Boris Yakobson. "Kiralitet ⎯ även kallad handenhet på grund av det sätt på vilket vänster och höger händer speglar varandra utan att vara överlagrade ⎯ bör inte påverka energierna i elektronernas spinn. Men i det här fallet polariserar den kirala rörelsen av atomgittret spinnen inuti materialet som om ett stort magnetfält applicerades." Även om den är kortlivad, varar kraften som riktar snurrorna längre än ljuspulsens varaktighet med en betydande marginal. Eftersom atomer endast roterar i särskilda frekvenser och rör sig under en längre tid vid lägre temperaturer bekräftar ytterligare frekvens- och temperaturberoende mätningar ytterligare att magnetisering sker som ett resultat av atomernas kollektiva kirala dans. "Effekten av atomrörelse på elektroner är förvånande eftersom elektroner är så mycket lättare och snabbare än atomer", säger Zhu, Rice's William Marsh Rice Chair och biträdande professor i materialvetenskap och nanoteknik. "Elektroner kan vanligtvis anpassa sig till en ny atomposition omedelbart och glömma sin tidigare bana. Materialegenskaper skulle förbli oförändrade om atomer gick medurs eller moturs, dvs. färdades framåt eller bakåt i tiden ⎯ ett fenomen som fysiker kallar tidsomkastningssymmetri." Idén att atomernas kollektiva rörelse bryter tids-omkastningssymmetri är relativt ny. Kirala fononer har nu experimentellt demonstrerats i några olika material, men exakt hur de påverkar materialegenskaperna är inte väl förstått. "Vi ville kvantitativt mäta effekten av kirala fononer på ett materials elektriska, optiska och magnetiska egenskaper," sa Zhu. "Eftersom spin hänvisar till elektronernas rotation medan fononer beskriver atomrotation, finns det en naiv förväntan att de två kan prata med varandra. Så vi bestämde oss för att fokusera på ett fascinerande fenomen som kallas spin-fononkoppling.” Spin-phonon-koppling spelar en viktig roll i verkliga tillämpningar som att skriva data på en hårddisk. Tidigare i år visade Zhus grupp ett nytt exempel på spin-fonon-koppling i enstaka molekylära lager med atomer som rör sig linjärt och skakar snurr. I sina nya experiment var Zhu och teammedlemmarna tvungna att hitta ett sätt att driva ett gitter av atomer att röra sig på ett kiralt sätt. Detta krävde både att de valde rätt material och att de skapar ljus med rätt frekvens för att skicka dess atomgitter i virvling med hjälp av teoretiska beräkningar från kollaboratörerna. "Det finns ingen standardljuskälla för våra fononfrekvenser på cirka 10 terahertz", förklarade Jiaming Luo, en doktorand i tillämpad fysik och huvudförfattaren till studien. "Vi skapade våra ljuspulser genom att blanda intensiva infraröda ljus och vrida det elektriska fältet för att "prata" med de kirala fononerna. Dessutom tog vi ytterligare två infraröda ljuspulser för att övervaka spinn respektive atomrörelse.” Förutom de insikter om spin-fononkoppling som härrör från forskningsresultaten, kommer den experimentella designen och upplägget att hjälpa till att informera framtida forskning om magnetiska och kvantmaterial. "Vi hoppas att kvantitativ mätning av magnetfältet från kirala fononer kan hjälpa oss att utveckla experimentprotokoll för att studera ny fysik i dynamiska material," sa Zhu.

    Tidsstämpel:

    Mer från Nanoverk