Forschung zeigt unerwarteten Einfluss auf das Kristallgitter der Verbindung

Phononen sind kollektive Atomschwingungen oder Quasiteilchen, die als Hauptwärmeträger in einem Kristallgitter fungieren. Ihre Eigenschaften können unter Umständen durch elektrische Felder oder Licht verändert werden. Aber bisher war niemandem aufgefallen, dass sie auch auf Magnetfelder reagieren können.

Das kann daran liegen, dass es einen starken Magneten braucht.

Wissenschaftler der Rice University unter der Leitung des Physikers Junichiro Kono und des Postdoktoranden Andrey Baydin lösten den unerwarteten Effekt in einem völlig unmagnetischen halbleitenden Kristall aus Blei und Tellur (PbTe) aus. Sie setzten die kleine Probe einem starken Magnetfeld aus und stellten fest, dass sie den „weichen“ optischen Phononenmodus des Materials manipulieren konnten.

Im Gegensatz zu akustischen Phononen, die als sich synchron bewegende Atome verstanden werden können, Schallwellen erzeugen und die Wärmeleitfähigkeit eines Materials beeinflussen, werden optische Phononen durch benachbarte Atome repräsentiert, die in entgegengesetzte Richtungen schwingen und durch Licht angeregt werden können; daher das „optische“ Tag.

Experimente zeigten den phononischen magnetischen Zirkulardichroismus des Materials, ein Phänomen, durch das linkshändige Magnetfelder rechtshändige Phononen anregen und umgekehrt, bei relativ niedrigen (9 Tesla) Magnetfeldern. (Im Vergleich dazu ist ein Kühlschrankmagnet 5 Millitesla oder 45.000 Mal schwächer.)

Das Pumpen des Felds auf 25 Tesla veranlasste die Probe zur Zeeman-Aufspaltung, bei der sich Spektrallinien wie Licht durch ein Prisma trennen, jedoch in einem Magnetfeld, ein kritisches Merkmal bei Kernspinresonanzgeräten. Die Linien zeigten auch eine Gesamtverschiebung mit dem Magnetfeld. Sie berichteten, dass diese Effekte viel stärker waren als von der Theorie erwartet.

„Diese Arbeit offenbart eine neue Methode zur Kontrolle von Phononen“, sagte Kono über die Studie, die in erscheint Briefe zur körperlichen Überprüfung. „Niemand hat erwartet, dass Phononen durch ein Magnetfeld kontrolliert werden können, weil Phononen normalerweise überhaupt nicht auf Magnetfelder reagieren, es sei denn, der Kristall ist magnetisch.“

Die Entdeckung wurde durch RAMBO (den Rice Advanced Magnet with Broadband Optics) ermöglicht, ein Tischspektrometer in Konos Labor, mit dem Materialien gekühlt und hohen Magnetfeldern ausgesetzt werden können. Indem die Probe mit Lasern getroffen wird, können Forscher die Bewegung und das Verhalten von Elektronen und Atomen im Inneren des Materials verfolgen.

In diesem Fall reagieren die alternierenden Atome unter den von RAMBO auferlegten Bedingungen – niedrige Temperatur, magnetisiert und durch Terahertzwellen ausgelöst – unterschiedlich. Das Spektrometer erfasst die Absorption von polarisiertem Licht durch die Phononen.

„Das Magnetfeld zwingt diese Ionen, in einer kreisförmigen Umlaufbahn zu oszillieren“, sagte Co-Hauptautor Baydin, ein Postdoktorand in Konos Labor. „Das Ergebnis ist, dass das effektive magnetische Moment dieser Phononen sehr groß ist.

„Es gibt keine resonanten Wechselwirkungen zwischen Phononen und Elektronen in hohen Magnetfeldern, daher ist es unmöglich, dass Elektronen die magnetische Reaktion von Phononen verursacht haben“, sagte er. „Überraschend ist, dass die Phononen selbst direkt auf das Magnetfeld zu reagieren scheinen, was die Menschen vorher nicht gesehen hatten und nicht für möglich hielten.“

Kono sagte, die Anwendung der Entdeckung bleibe abzuwarten, aber er vermutet, dass sie für Quantentechnologen von Interesse sein wird. „Ich denke, diese überraschende Entdeckung hat langfristige Auswirkungen auf die Quantenphononik, denn jetzt gibt es eine Möglichkeit, Phononen mithilfe eines Magnetfelds zu kontrollieren“, sagte er.

Felix Hernandez von der Universität São Paulo, Brasilien, und Martin Rodriguez-Vega vom Los Alamos National Laboratory sind Co-Hauptautoren der Veröffentlichung. Co-Autoren sind Anderson Okazaki, Paulo Rappl und Eduardo Abramof vom National Institute for Space Research, São Paulo, Brasilien; Fuyang Tay, Doktorand der angewandten Physik, und Alumnus Timothy Noe von Rice; Ikufumi Katayama und Jun Takeda von der Yokohama National University, Japan; Hiroyuki Nojiri von der Universität Tohoku, Japan; und Gregory Fiete von der Northeastern University und dem Massachusetts Institute of Technology.