การเต้นรำแบบอะตอมทำให้เกิดแม่เหล็ก

การเต้นรำแบบอะตอมทำให้เกิดแม่เหล็ก

ประทับเวลา: 10 พฤศจิกายน 2023 11:24 น
โหนดต้นทาง: 2969976
10 พ.ย. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) วัสดุควอนตัมถือเป็นกุญแจสู่อนาคตของระบบข้อมูลที่รวดเร็วและประหยัดพลังงาน ปัญหาในการดึงศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงของพวกมันออกมาก็คือ ในของแข็ง อะตอมจำนวนมหาศาลมักจะกลบคุณสมบัติควอนตัมที่แปลกใหม่ที่อิเล็กตรอนมีอยู่ออกไป นักวิจัยของมหาวิทยาลัย Rice ในห้องแล็บของนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุควอนตัม Hanyu Zhu พบว่าเมื่อพวกเขาเคลื่อนที่เป็นวงกลม อะตอมก็สามารถทำงานได้อย่างมหัศจรรย์เช่นกัน เมื่อโครงตาข่ายของอะตอมในคริสตัลหายากของโลกมีการเคลื่อนไหวด้วยการสั่นสะเทือนรูปเกลียวที่เรียกว่า chiral phonon คริสตัลถูกเปลี่ยนเป็นแม่เหล็ก

ประเด็นที่สำคัญ

  • วัสดุควอนตัม โดยเฉพาะซีเรียมฟลูออไรด์ สามารถถูกทำให้เป็นแม่เหล็กได้ชั่วคราวผ่านการจัดตำแหน่งสปินของอิเล็กตรอนที่เกิดจากไครัล โฟนอน โดยไม่จำเป็นต้องใช้สนามแม่เหล็กแรงสูง
  • นักวิจัยของมหาวิทยาลัยไรซ์ค้นพบว่าการเคลื่อนที่ของไครัลของโปรยอะตอมในวัสดุเหล่านี้มีอิทธิพลต่อการหมุนของอิเล็กตรอน ซึ่งปกติแล้วจะเกิดขึ้นเฉพาะกับสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่เท่านั้น
  • เอฟเฟกต์แรงดึงดูดนี้เกิดขึ้นจากพัลส์แสงที่เร็วมาก ซึ่งจะคงอยู่นานกว่าระยะเวลาของพัลส์แสง และจะเด่นชัดมากขึ้นที่อุณหภูมิต่ำลง
  • การวิจัยเน้นย้ำถึงผลกระทบที่ไม่คาดคิดของการเคลื่อนที่ของอะตอมต่อคุณสมบัติของวัสดุ ซึ่งท้าทายสมมุติฐานของสมมาตรการกลับตัวตามเวลาในพฤติกรรมของอิเล็กตรอน
  • การค้นพบนี้มีส่วนช่วยในการทำความเข้าใจการเชื่อมต่อแบบ spin-phonon ซึ่งอาจช่วยในการวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับการจัดการควอนตัมและวัสดุแม่เหล็กผ่านสนามภายนอกเช่นแสง

    • [เนื้อหาฝัง]

    วิจัย

    จากการศึกษาที่ตีพิมพ์ใน วิทยาศาสตร์ (“สนามแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพขนาดใหญ่จากไครัลโฟนอนในเฮไลด์ของธาตุหายาก”) การปล่อยให้ซีเรียมฟลูออไรด์สัมผัสกับแสงที่เร็วเป็นพิเศษจะส่งอะตอมของมันไปสู่การเต้นรำซึ่งจะดึงดูดการหมุนของอิเล็กตรอนชั่วขณะ ทำให้พวกมันอยู่ในแนวเดียวกับการหมุนของอะตอม การจัดแนวนี้อาจต้องใช้สนามแม่เหล็กที่ทรงพลังในการกระตุ้น เนื่องจากซีเรียมฟลูออไรด์เป็นพาราแมกเนติกตามธรรมชาติและมีการหมุนแบบสุ่มแม้ที่อุณหภูมิศูนย์ “อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีการหมุนของแม่เหล็กซึ่งทำหน้าที่เหมือนกับเข็มเข็มทิศเล็กๆ ที่ฝังอยู่ในวัสดุ และทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กในท้องถิ่น” บอริส ยาคอบสัน นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุของไรซ์และผู้เขียนร่วมกล่าว “Chirality ⎯ เรียกอีกอย่างว่าความถนัด เนื่องจากวิธีที่มือซ้ายและขวาสะท้อนซึ่งกันและกันโดยไม่ต้องซ้อนทับกัน ⎯ ไม่ควรส่งผลกระทบต่อพลังงานของการหมุนของอิเล็กตรอน แต่ในกรณีนี้ การเคลื่อนที่ของไครัลของตาข่ายอะตอมจะทำให้การหมุนภายในวัสดุมีขั้วราวกับว่ามีสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่เกิดขึ้น” แม้ว่าจะมีอายุสั้น แรงที่ปรับแนวการหมุนจะคงอยู่นานกว่าระยะเวลาของพัลส์แสงตามระยะขอบที่มีนัยสำคัญ เนื่องจากอะตอมหมุนเฉพาะความถี่เฉพาะและเคลื่อนที่เป็นเวลานานขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่า การวัดเพิ่มเติมที่ขึ้นกับความถี่และอุณหภูมิยังยืนยันได้อีกว่าการเกิดสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการเต้นรำแบบไครัลโดยรวมของอะตอม Zhu, William Marsh Rice Chair ของ Rice และผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมนาโนกล่าวว่า "ผลกระทบของการเคลื่อนที่ของอะตอมต่ออิเล็กตรอนเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ เนื่องจากอิเล็กตรอนมีน้ำหนักเบาและเร็วกว่าอะตอมมาก" “โดยปกติอิเล็กตรอนสามารถปรับตัวเข้ากับตำแหน่งอะตอมใหม่ได้ทันที โดยลืมวิถีโคจรก่อนหน้า คุณสมบัติของวัสดุจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหากอะตอมหมุนตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา กล่าวคือ เดินทางไปข้างหน้าหรือถอยหลัง ⎯ ปรากฏการณ์ที่นักฟิสิกส์เรียกว่าสมมาตรของการกลับเวลา” แนวคิดที่ว่าการเคลื่อนที่โดยรวมของอะตอมจะทำลายสมมาตรของการกลับตัวตามเวลานั้นค่อนข้างใหม่ ปัจจุบัน โฟนอนของไครัลได้รับการสาธิตทดลองในวัสดุที่แตกต่างกันสองสามชนิด แต่ยังไม่เป็นที่เข้าใจกันดีว่าสิ่งเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติของวัสดุอย่างไร “เราต้องการวัดผลกระทบของไครัลโฟนอนต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้า แสง และแม่เหล็กของวัสดุในเชิงปริมาณ” Zhu กล่าว “เพราะการหมุนหมายถึงการหมุนของอิเล็กตรอน ในขณะที่โฟนันส์อธิบายการหมุนของอะตอม จึงมีความคาดหวังที่ไร้เดียงสาว่าทั้งสองอาจพูดคุยกัน ดังนั้นเราจึงตัดสินใจที่จะมุ่งความสนใจไปที่ปรากฏการณ์อันน่าทึ่งที่เรียกว่าการมีเพศสัมพันธ์แบบสปินโฟนอน” การมีเพศสัมพันธ์แบบ Spin-phonon มีบทบาทสำคัญในการใช้งานจริง เช่น การเขียนข้อมูลบนฮาร์ดดิสก์ เมื่อต้นปีที่ผ่านมา กลุ่มของ Zhu ได้สาธิตตัวอย่างใหม่ของการเชื่อมต่อแบบ spin-phonon ในชั้นโมเลกุลเดี่ยว โดยมีอะตอมเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและหมุนตัวสั่น ในการทดลองครั้งใหม่ Zhu และสมาชิกในทีมต้องหาทางขับเคลื่อนอะตอมให้เคลื่อนที่ในลักษณะไครัล สิ่งนี้ทำให้ทั้งพวกเขาเลือกวัสดุที่เหมาะสมและสร้างแสงที่ความถี่ที่เหมาะสมเพื่อส่งโครงตาข่ายอะตอมของมันหมุนวนด้วยความช่วยเหลือจากการคำนวณทางทฤษฎีจากผู้ร่วมมือ “ไม่มีแหล่งกำเนิดแสงที่มีจำหน่ายทั่วไปสำหรับความถี่โฟนอนของเราที่ประมาณ 10 เทระเฮิรตซ์” Jiaming Luo นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาฟิสิกส์ประยุกต์และเป็นผู้เขียนหลักของการศึกษาอธิบาย “เราสร้างพัลส์แสงโดยการผสมแสงอินฟราเรดเข้มข้นและบิดสนามไฟฟ้าเพื่อ 'พูด' กับหน่วยเสียงไครัล นอกจากนี้เรายังใช้พัลส์แสงอินฟราเรดอีกสองพัลส์เพื่อตรวจสอบการหมุนและการเคลื่อนที่ของอะตอมตามลำดับ” นอกเหนือจากข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการมีเพศสัมพันธ์แบบสปิน-โฟนอนที่ได้มาจากผลการวิจัย การออกแบบการทดลองและการตั้งค่าจะช่วยแจ้งการวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับวัสดุแม่เหล็กและควอนตัม "เราหวังว่าการวัดสนามแม่เหล็กในเชิงปริมาณจากหน่วยเสียงไครัลสามารถช่วยเราพัฒนาโปรโตคอลการทดลองเพื่อศึกษาฟิสิกส์ใหม่ในวัสดุไดนามิกได้" Zhu กล่าว

    ประทับเวลา:

    เพิ่มเติมจาก นาโนเวิร์ค

    อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นและโปร่งใสประสิทธิภาพสูงโดยใช้ลวดนาโนทองแดง-กราฟีนที่สังเคราะห์โดยการเรืองแสงวาบ

    คลัสเตอร์ต้นทาง:
    โหนดต้นทาง: 2557281
    ประทับเวลา: Mar 31, 2023