Ny magnetisme på vibrerende ikke-magnetiske lag

Et team af forskere, tilknyttet Sydkoreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har demonstreret muligheden for at inducere og kontrollere en magnetisk respons i et ikke-magnetisk lagmateriale gennem selektiv excitation af specifik vibration af materialet.

Et forskerhold, tilknyttet UNIST har for nylig demonstreret muligheden for at inducere og kontrollere en magnetisk reaktion i et ikke-magnetisk lagmateriale gennem selektiv excitation af specifik vibration af materialet, ved hjælp af state-of-the-art teoretiske simuleringsværktøjer.

Dette gennembrud er blevet ledet af professor Noejung Park på School of Natural Science i samarbejde med forskere fra MPSDs teoriafdeling (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter) og CFEL i Hamborg. I undersøgelsen, forskerholdet viste, at cirkulært polariserede fononer producerer en dalafhængig dynamisk spin-tilstand som et resultat af stærk spin-fonon-kobling, som kan udvikles som et redskab til kvanteberegning eller spintronikapplikationer. Resultaterne af denne undersøgelse er blevet offentliggjort i Naturkommunikation den 12. februar, 2018.

I hverdagen, vi oplever og udnytter mange egenskaber ved materialer:fra elektriske og termiske ledere/isolatorer til mikro-/nanoelektronik, telekommunikation, computer, sansning, energiomdannelse og skræddersyede materialer med specifikke mekaniske, optiske og magnetiske egenskaber, for at nævne et par stykker. Mikroskopisk, disse materialer består af elektroner og kerner, og deres egenskaber kan for det meste tilskrives det kvantemekaniske arrangement af elektronerne. Selvom atomkernen også kan specificeres ved dens partikler, såsom protoner og neutroner, kernens indre struktur, i de fleste tilfælde, spiller ingen rolle ved bestemmelse af materialets egenskaber. I stedet, kerner er tydeligt manifesteret gennem deres vibration. Formen og størrelsen af ​​vibrationerne, som specifikt kaldes en fonon, er en anden dominerende faktor, der bestemmer materialets egenskaber udover elektronernes ladning og spin.

I dag har forskere fokuseret på elementære strukturer af materialer med det formål i sidste ende at miniaturisere magnetiske enheder eller elektroniske enheder. grafen, kulstof-enkeltlaget, og monolaget af overgangsmetal dichalcogenid (TMDC) er prime eksempler i dette perspektiv. Hvorvidt spindene i disse todimensionelle (2-D) materialer kan justeres til at danne en magnet, eller hvor følsomt de påvirkes af fononer, er fortsat et vigtigt spørgsmål. I deres undersøgelse, tager MoS2 og også andre TMDC'er som prøvemateriale, forskerholdet undersøgte, hvordan spinstrukturen kan ændres ved tilstedeværelsen af ​​en fonon. Omfattende supercomputing-beregninger af kvantemekaniske ligninger viste, at når et materiale har stærk kobling mellem dets elektroners spin og orbitale tilstand, en bestemt fonon kan udlede en spindynamik på samme måde som et roterende magnetfelt gør.

Denne effekt er afhængig af et grundlæggende begreb inden for teoretisk fysik kaldet symmetribrud. Især i krystaller spiller symmetrierne af atomernes arrangementer en afgørende rolle, og at bryde en af ​​dem medfører ofte dramatiske ændringer i materialets egenskaber. Symmetrien i et system involverer ikke kun rum, men kan også forlænges til tid. I det, der kaldes tidsvendende symmetri, den observerede fysik ville være den samme, hvis vi går frem eller tilbage i tiden. For eksempel, i en video af to kolliderende billardkugler, du kan ikke se, om videoen kører frem eller tilbage på grund af symmetrien. Imidlertid, i nærvær af et magnetfelt, elektronernes bevægelse kan ikke snydes på denne måde, fordi dens fremadgående tilstand ikke længere er symmetrisk med den bagudgående.

I stedet for et magnetfelt, mange forskere har for nylig brugt en cirkulært polariseret foton, eller en roterende lystilstand, for at bryde tidsvendingssymmetrien. I deres undersøgelse, i stedet for en foton, de brugte den roterende bevægelse af atomer i en krystal, dvs. den cirkulære fonon, som en ny type tids-reverserende brydemekanisme. Forskerholdet viste, at sådanne fononer kan sammenlignes med tilstedeværelsen af ​​magnetfeltet og kan bruges til hurtig manipulation af magnetiske enheder af elementære 2-D materialer.