Атомний танець породжує магніт

10 листопада 2023 р. (Новини Nanowerk) Квантові матеріали містять ключ до блискавичних, енергоефективних інформаційних систем у майбутньому. Проблема з використанням їх трансформаційного потенціалу полягає в тому, що в твердих тілах величезна кількість атомів часто заглушає екзотичні квантові властивості, які несуть електрони. Дослідники з Університету Райса в лабораторії вчених Ханю Чжу з квантових матеріалів виявили, що коли вони рухаються по колу, атоми також можуть творити чудеса: коли атомна решітка в кристалі рідкоземельного металу оживляється за допомогою вібрації у формі штопора, відомої як хіральний фонон, кристал перетворюється на магніт.

Ключові винесення

Квантові матеріали, зокрема фторид церію, можна тимчасово намагнітити через вирівнювання спінів електронів, викликане хіральними фононами, в обхід потреби в сильному магнітному полі.

Дослідники з Університету Райса виявили, що хіральний рух атомних решіток у цих матеріалах впливає на обертання електронів, ефект зазвичай досягається лише за допомогою великих магнітних полів.

Цей ефект намагнічення, викликаний надшвидкими світловими імпульсами, перевищує тривалість світлового імпульсу та є більш вираженим при нижчих температурах.

Дослідження підкреслює несподіваний вплив руху атомів на властивості матеріалу, що ставить під сумнів припущення про симетрію зворотного часу в поведінці електронів.

Отримані висновки сприяють розумінню спін-фононного зв’язку, потенційно сприяючи майбутнім дослідженням квантових і магнітних маніпуляцій матеріалами через зовнішні поля, такі як світло.

[Вбудоване вміст]

Дослідження

За даними дослідження, опублікованого в наука («Великі ефективні магнітні поля від хіральних фононів у рідкоземельних галогенідах»), піддаючи фторид церію дії надшвидких імпульсів світла, атоми починають танцювати, що миттєво залучає обертання електронів, змушуючи їх узгоджуватися з обертанням атома. В іншому випадку для активації цього вирівнювання знадобилося б потужне магнітне поле, оскільки фторид церію є природним парамагнетиком із випадково орієнтованими спинами навіть за нульової температури. «Кожен електрон має магнітне обертання, яке діє як крихітна стрілка компаса, вбудована в матеріал, реагуючи на місцеве магнітне поле», — сказав науковець із матеріалами та співавтор Райса Борис Якобсон. «Хіральність — також звана ручністю через спосіб, у який ліва і права руки відображають одна одну без накладання — не повинна впливати на енергію обертання електронів. Але в цьому випадку хіральний рух атомної решітки поляризує спіни всередині матеріалу, як якщо б було застосовано велике магнітне поле». Незважаючи на те, що сила, яка вирівнює оберти, короткочасна, вона значно перевищує тривалість світлового імпульсу. Оскільки атоми обертаються лише на певних частотах і рухаються довше за нижчих температур, додаткові вимірювання, що залежать від частоти та температури, додатково підтверджують, що намагніченість виникає в результаті колективного хірального танцю атомів. «Вплив атомного руху на електрони є дивовижним, тому що електрони набагато легші та швидші за атоми», — сказав Чжу, завідувач кафедри Вільяма Марша Райса та доцент кафедри матеріалознавства та наноінженерії. «Електрони зазвичай можуть адаптуватися до нової атомної позиції негайно, забуваючи про свою попередню траєкторію. Властивості матеріалу залишалися б незмінними, якби атоми рухалися за або проти годинникової стрілки, тобто рухалися вперед або назад у часі – явище, яке фізики називають симетрією зворотного часу». Ідея про те, що колективний рух атомів порушує симетрію зворотного часу, з’явилася відносно недавно. Зараз експериментально продемонстровано хіральні фонони в кількох різних матеріалах, але до кінця не вивчено, як саме вони впливають на властивості матеріалу. «Ми хотіли кількісно виміряти вплив хіральних фононів на електричні, оптичні та магнітні властивості матеріалу», — сказав Чжу. «Оскільки спін відноситься до обертання електронів, тоді як фонони описують обертання атома, існує наївне очікування, що вони можуть спілкуватися один з одним. Тож ми вирішили зосередитися на захоплюючому явищі під назвою спін-фононний зв’язок». Спін-фононний зв'язок відіграє важливу роль у реальних програмах, таких як запис даних на жорсткий диск. Раніше в цьому році група Чжу продемонструвала новий випадок спін-фононного зв'язку в окремих молекулярних шарах з атомами, що рухаються лінійно і коливаються спінами. У своїх нових експериментах Чжу та члени команди мали знайти спосіб змусити решітку атомів рухатися хірально. Це вимагало як того, щоб вони вибрали правильний матеріал, так і щоб вони створили світло з правильною частотою, щоб закрутити його атомну решітку за допомогою теоретичних обчислень, зроблених співробітниками. «Немає стандартного джерела світла для наших фононних частот близько 10 терагерц», — пояснив Цзямін Луо, аспірант прикладної фізики та провідний автор дослідження. «Ми створили наші світлові імпульси, змішуючи інтенсивне інфрачервоне світло та скручуючи електричне поле, щоб «розмовляти» з хіральними фононами. Крім того, ми взяли ще два інфрачервоні світлові імпульси для моніторингу обертання та руху атома відповідно». На додаток до уявлень про спін-фононний зв’язок, отриманих на основі результатів дослідження, експериментальний план і установка допоможуть інформувати майбутні дослідження магнітних і квантових матеріалів. «Ми сподіваємося, що кількісне вимірювання магнітного поля від хіральних фононів може допомогти нам розробити протоколи експериментів для вивчення нової фізики в динамічних матеріалах», — сказав Чжу.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=64035.php