Atomik dans bir mıknatısa yol açıyor

Atomik dans bir mıknatısa yol açıyor

Zaman Damgası: 10 Kasım 2023 11:24
Kaynak Düğüm: 2969976
10 Kasım 2023 (Nanowerk Haberleri) Kuantum malzemeleri, ışık hızında, enerji tasarruflu bilgi sistemlerinin geleceğinin anahtarını elinde tutuyor. Dönüştürücü potansiyellerinden yararlanmanın sorunu, katılarda çok sayıda atomun çoğu zaman elektronların taşıdığı egzotik kuantum özelliklerini bastırmasıdır. Rice Üniversitesi'nden kuantum malzeme bilimcisi Hanyu Zhu'nun laboratuvarındaki araştırmacılar, atomların daireler halinde hareket ettiklerinde harikalar yaratabildiğini buldu: Nadir toprak kristalindeki atomik kafes, kiral fonon olarak bilinen tirbuşon şeklindeki bir titreşimle canlandırıldığında, kristal bir mıknatısa dönüştürülür.

Önemli Noktalar

  • Kuantum malzemeleri, özellikle seryum florür, güçlü bir manyetik alan ihtiyacını atlayarak kiral fonon kaynaklı elektron spin hizalaması yoluyla geçici olarak mıknatıslanabilir.
  • Rice Üniversitesi araştırmacıları, bu malzemelerdeki atomik kafeslerin kiral hareketinin, genellikle yalnızca büyük manyetik alanlarla elde edilen bir etki olan elektron dönüşlerini etkilediğini keşfetti.
  • Ultra hızlı ışık darbelerinin neden olduğu bu mıknatıslanma etkisi, ışık darbesinin süresinden daha uzun sürer ve daha düşük sıcaklıklarda daha belirgindir.
  • Araştırma, atomik hareketin malzeme özellikleri üzerindeki beklenmedik etkisini vurgulayarak elektron davranışında zamanın tersine simetrisi varsayımına meydan okuyor.
  • Bulgular, spin-fonon eşleşmesinin anlaşılmasına katkıda bulunarak, ışık gibi dış alanlar aracılığıyla kuantum ve manyetik malzeme manipülasyonunda gelecekteki araştırmalara potansiyel olarak yardımcı olabilir.

    • [Gömülü içerik]

    Araştırma

    Yayınlanan bir çalışmaya göre Bilim (“Nadir toprak halojenürlerdeki kiral fononlardan kaynaklanan büyük etkili manyetik alanlar”), seryum florürün ultra hızlı ışık darbelerine maruz bırakılması, atomlarını, anlık olarak elektronların dönüşlerini harekete geçiren bir dansa göndererek onların atomik dönüşle aynı hizada olmalarına neden olur. Aksi halde bu hizalamanın etkinleştirilmesi için güçlü bir manyetik alan gerekir; çünkü seryum florür, sıfır sıcaklıkta bile rastgele yönlendirilmiş dönüşlerle doğal olarak paramanyetiktir. Rice malzeme bilimcisi ve ortak yazar Boris Yakobson, "Her elektron, malzemeye gömülü küçük bir pusula iğnesi gibi davranan ve yerel manyetik alana tepki veren manyetik bir dönüşe sahiptir" dedi. “Kiralite (sol ve sağ ellerin üst üste binmeden birbirini yansıtması nedeniyle el tercihi olarak da adlandırılır) elektronların dönüş enerjilerini etkilememelidir. Ancak bu örnekte atomik kafesin kiral hareketi, sanki büyük bir manyetik alan uygulanmış gibi malzemenin içindeki dönüşleri polarize ediyor." Kısa ömürlü olmasına rağmen, dönüşleri hizalayan kuvvet, ışık darbesinin süresinden önemli bir farkla daha uzun süre dayanır. Atomlar yalnızca belirli frekanslarda döndüklerinden ve daha düşük sıcaklıklarda daha uzun süre hareket ettiklerinden, frekans ve sıcaklığa bağlı ek ölçümler, mıknatıslanmanın atomların kolektif kiral dansının bir sonucu olarak meydana geldiğini doğrulamaktadır. Rice'ın William Marsh Rice Kürsüsü ve malzeme bilimi ve nanomühendislik alanında yardımcı doçent olan Zhu, "Atom hareketinin elektronlar üzerindeki etkisi şaşırtıcı çünkü elektronlar atomlardan çok daha hafif ve daha hızlıdır" dedi. "Elektronlar genellikle önceki yörüngelerini unutarak yeni bir atomik konuma hemen uyum sağlayabilirler. Atomlar saat yönünde veya saat yönünün tersine hareket etse, yani zamanda ileri veya geri gitse malzeme özellikleri değişmeden kalır; fizikçilerin zamanın tersine simetrisi olarak adlandırdığı bir olgudur bu." Atomların kolektif hareketinin zamanın tersine çevrilmesi simetrisini bozduğu fikri nispeten yenidir. Kiral fononlar birkaç farklı malzemede deneysel olarak gösterilmiştir ancak malzeme özelliklerini tam olarak nasıl etkiledikleri tam olarak anlaşılamamıştır. Zhu, "Kiral fononların bir malzemenin elektriksel, optik ve manyetik özellikleri üzerindeki etkisini niceliksel olarak ölçmek istedik" dedi. “Spin elektronların dönüşünü ifade ederken, fononlar atomik rotasyonu tanımladığından, ikisinin birbiriyle konuşabileceğine dair saf bir beklenti var. Bu yüzden spin-fonon eşleşmesi adı verilen büyüleyici bir olguya odaklanmaya karar verdik." Spin-fonon bağlantısı, sabit diske veri yazmak gibi gerçek dünya uygulamalarında önemli bir rol oynar. Bu yılın başlarında Zhu'nun grubu, atomların doğrusal olarak hareket ettiği ve spinlerin titrediği tek moleküler katmanlarda spin-fonon eşleşmesinin yeni bir örneğini gösterdi. Yeni deneylerinde Zhu ve ekip üyeleri, atomlardan oluşan bir kafesi kiral bir şekilde hareket ettirecek şekilde yönlendirmenin bir yolunu bulmak zorundaydı. Bu, hem doğru malzemeyi seçmelerini hem de işbirlikçilerin teorik hesaplamalarının yardımıyla atomik kafesi dönerek göndermek için doğru frekansta ışık yaratmalarını gerektiriyordu. Uygulamalı fizik yüksek lisans öğrencisi ve çalışmanın baş yazarı Jiaming Luo, "Yaklaşık 10 terahertzlik fonon frekanslarımız için kullanıma hazır bir ışık kaynağı yok" dedi. "Işık darbelerimizi, yoğun kızılötesi ışıkları karıştırarak ve elektrik alanını kiral fononlarla 'konuşacak' şekilde çevirerek oluşturduk. Ayrıca, sırasıyla dönüşü ve atomik hareketi izlemek için iki kızılötesi ışık darbesi daha aldık." Araştırma bulgularından elde edilen spin-fonon eşleşmesine ilişkin içgörülere ek olarak, deneysel tasarım ve kurulum, manyetik ve kuantum malzemeler üzerine gelecekteki araştırmalara bilgi sağlamaya yardımcı olacaktır. Zhu, "Kiral fononlardan gelen manyetik alanın niceliksel olarak ölçülmesinin, dinamik malzemelerde yeni fiziği incelemek için deney protokolleri geliştirmemize yardımcı olabileceğini umuyoruz" dedi.

    Zaman Damgası:

    Den fazla nanowerk