Quantenmaterialien sind der Schlüssel zu einer Zukunft blitzschneller, energieeffizienter Informationssysteme. Das Problem bei der Nutzung ihres transformativen Potenzials besteht darin, dass in Festkörpern die große Anzahl von Atomen oft die exotischen Quanteneigenschaften der Elektronen übertönt.
Forscher der Rice University im Labor des Quantenmaterialwissenschaftlers Hanyu Zhu fanden heraus, dass Atome auch Wunder bewirken können, wenn sie sich im Kreis bewegen: Wenn das Atomgitter in einem Seltenerdkristall in eine korkenzieherförmige Schwingung versetzt wird, die als chirales Phonon bekannt ist, Der Kristall verwandelt sich in einen Magneten.
Laut einer neuen Studie veröffentlicht In WissenschaftWenn Cerfluorid ultraschnellen Lichtimpulsen ausgesetzt wird, versetzen sich seine Atome in einen Tanz, der kurzzeitig die Spins von Elektronen anzieht und sie dazu bringt, sich an der Atomrotation auszurichten. Diese Ausrichtung würde andernfalls ein starkes Magnetfeld erfordern, um aktiviert zu werden, da Cerfluorid von Natur aus paramagnetisch ist und selbst bei Nulltemperatur zufällig ausgerichtete Spins aufweist.
„Jedes Elektron besitzt einen magnetischen Spin, der wie eine winzige Kompassnadel wirkt, die in das Material eingebettet ist und auf das lokale Magnetfeld reagiert“, sagte Rice-Materialwissenschaftler und Co-Autor Boris Yakobson. „Chiralität – auch Händigkeit genannt, weil linke und rechte Hand einander spiegeln, ohne sich zu überlagern – sollte die Energien des Elektronenspins nicht beeinflussen. Aber in diesem Fall polarisiert die chirale Bewegung des Atomgitters die Spins im Inneren.“ das Material, als ob ein großes Magnetfeld angelegt würde.
Obwohl sie nur von kurzer Dauer ist, überdauert die Kraft, die die Spins ausrichtet, die Dauer des Lichtimpulses um ein Vielfaches. Da Atome nur bei bestimmten Frequenzen rotieren und sich bei niedrigeren Temperaturen länger bewegen, bestätigen zusätzliche frequenz- und temperaturabhängige Messungen zusätzlich, dass die Magnetisierung als Ergebnis des kollektiven chiralen Tanzes der Atome erfolgt.
„Der Effekt der Atombewegung auf Elektronen ist überraschend, weil Elektronen so viel leichter und schneller sind als Atome“, sagte Zhu, Rices William Marsh Rice Chair und Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Nanotechnik.
„Elektronen können sich normalerweise sofort an eine neue atomare Position anpassen und dabei ihre vorherige Flugbahn vergessen. Die Materialeigenschaften würden unverändert bleiben, wenn sich Atome im oder gegen den Uhrzeigersinn bewegen würden, also in der Zeit vorwärts oder rückwärts wandern würden – ein Phänomen, das Physiker als Zeitumkehrsymmetrie bezeichnen. “
Die Idee, dass die kollektive Bewegung von Atomen die Zeitumkehrsymmetrie durchbricht, ist relativ neu. Chirale Phononen wurden inzwischen in einigen verschiedenen Materialien experimentell nachgewiesen, aber wie sie sich genau auf die Materialeigenschaften auswirken, ist nicht genau geklärt.
„Wir wollten die Wirkung chiraler Phononen auf die elektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften eines Materials quantitativ messen“, sagte Zhu. „Da sich Spin auf die Rotation von Elektronen bezieht, während Phononen die Rotation von Atomen beschreiben, besteht die naive Erwartung, dass die beiden miteinander kommunizieren könnten. Deshalb haben wir beschlossen, uns auf ein faszinierendes Phänomen namens Spin-Phonon-Kopplung zu konzentrieren.“
Die Spin-Phonon-Kopplung spielt bei realen Anwendungen wie dem Schreiben von Daten auf eine Festplatte eine wichtige Rolle. Anfang des Jahres demonstrierte Zhus Gruppe ein neues Beispiel der Spin-Phonon-Kopplung einzelne molekulare Schichten mit Atomen, die sich linear bewegen und Spins schütteln.
In ihren neuen Experimenten mussten Zhu und die Teammitglieder einen Weg finden, ein Atomgitter in eine chirale Bewegung zu versetzen. Dies erforderte sowohl die Auswahl des richtigen Materials als auch die Erzeugung von Licht mit der richtigen Frequenz, um mithilfe theoretischer Berechnungen der Mitarbeiter das Atomgitter in Bewegung zu versetzen.
„Für unsere Phononenfrequenzen bei etwa 10 Terahertz gibt es keine handelsübliche Lichtquelle“, erklärte Jiaming Luo, ein Doktorand der angewandten Physik und Hauptautor der Studie. „Wir haben unsere Lichtimpulse erzeugt, indem wir intensives Infrarotlicht gemischt und das elektrische Feld verdreht haben, um mit den chiralen Phononen zu „sprechen“. Darüber hinaus haben wir zwei weitere Infrarotlichtimpulse verwendet, um den Spin bzw. die Atombewegung zu überwachen.“
Zusätzlich zu den aus den Forschungsergebnissen gewonnenen Erkenntnissen zur Spin-Phonon-Kopplung werden das experimentelle Design und der Versuchsaufbau dazu beitragen, zukünftige Forschungen zu Magnet- und Quantenmaterialien zu unterstützen.
„Wir hoffen, dass die quantitative Messung des Magnetfelds chiraler Phononen uns bei der Entwicklung von Experimentprotokollen helfen kann, um neuartige Physik in dynamischen Materialien zu untersuchen“, sagte Zhu. „Unser Ziel ist es, Materialien, die es in der Natur nicht gibt, durch äußere Felder – wie Licht oder Quantenfluktuationen – zu konstruieren.“
Mehr Informationen:
Jiaming Luo et al., Große effektive Magnetfelder von chiralen Phononen in Seltenerdhalogeniden, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adi9601