Spontan magnetisering i et ikke-magnetisk interagerende metal

I løbet af det seneste årti, talrige fysikstudier har undersøgt, hvordan oscillerende elektriske felter produceret af lasere eller mikrobølgekilder kan bruges til dynamisk at ændre materialers egenskaber efter behov. I en ny undersøgelse præsenteret i Naturfysik , to forskere ved Københavns Universitet og Nanyang Teknologiske Universitet (NTU), i Singapore, har bygget på resultaterne af disse undersøgelser, afdækning af en mekanisme, hvorigennem et ikke-magnetisk interagerende metal spontant kan magnetisere.

"Nylige eksperimenter inden for nanoplasmonik har vist, at når elektronerne i metalliske systemer på nanoskala er kollektivt exciterede, de kan, faktisk, producere ekstremt intense oscillerende elektriske felter på egen hånd, "Mark Rudner, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I lyset af denne observation, vi satte os for at afdække, hvilke nye fænomener der kunne opstå, når disse 'indre felter' i et materiale feed back for at ændre materialets egenskaber."

De indre felter, som Rudner henviser til, er intense oscillerende elektriske felter, der stammer fra ladningssvingninger i et metal, kendt som plasmoner. Plasmoner bruges ofte til at begrænse lys til længdeskalaer langt under dets oprindelige bølgelængde på nanoskala, samt at guide dens udbredelse gennem enheder. Den detaljerede adfærd af en plasmon (f.eks. frekvensen den svinger ved, dens chiralitet, osv.) er direkte afhængig af et materiales egenskaber, såsom dens elektroniske båndstruktur.

"Typisk, disse materialespecifikationer menes at være faste mængder af det valgte materiale; for at få en anden type plasmon ville man konventionelt skulle bruge et andet materiale, "Justin Song, den anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vi spekulerede på, om der var en måde at komme uden om denne begrænsning. Vigtigt, hvis en plasmons stærke indre felter kunne ændre et materiales elektroniske båndstruktur og derved ændre materialets egenskaber, det ville også transformere plasmonet, opsætning af en feedback-loop, der gør det muligt for plasmonen at påtage sig nye typer adfærd."

Når de indså, at svingende indre felter i et ophidset materiale kan ændre dets elektroniske egenskaber, Rudner og Song satte sig for at demonstrere dette koncept inden for den enklest mulige opsætning. De besluttede sig derfor for at studere grafendiske i nanoskala, da grafen er et bredt tilgængeligt materiale af høj kvalitet, der har gunstige egenskaber til at observere denne effekt. Ved at bruge denne opsætning, de demonstrerede de betingelser, hvorunder feedback fra de indre felter af kollektive tilstande kunne udløse en ustabilitet mod spontan magnetisering i systemet.

"Vi analyserede teoretisk, hvordan plasmonerne i en grafenskive forvandledes under lineært polariseret bestråling og fandt ud af, at når lysintensiteten var lav, plasmonen skal oscillere i samme retning som lyspolarisationen, "Sang forklarede. "Men, over en kritisk intensitet, vores teoretiske analyse viste, at plasmonen spontant kan vælge at rotere, at opnå en håndfasthed, der ikke oprindeligt var til stede i den metalliske skive eller det bestrålende lys. På denne måde plasmonerne opnår et 'separat liv' (spontant valg af en chiralitet) adskilt fra både materialet, der er vært for det (den metalliske skive) såvel som lysfeltet, der driver den (den lineært polariserede bestråling)."

I deres undersøgelse, Rudner og Song viste, at de kollektive former for drevne systemer nogle gange kan få deres eget liv, " udstiller unikke og spontane symmetri-brydende fænomener, der er uafhængige af den underliggende ligevægtsfase. Selvom forskerne illustrerede dette princip ved hjælp af nanoskala grafenskiver, det gælder også andre materialer.

"Den vigtigste observation, da vi udførte vores analyse var, at fra en elektrons synsvinkel i et materiale, et elektrisk felt er et elektrisk felt:det er ligegyldigt, om dette oscillerende felt blev produceret af en laser, der skinnede på materialet udefra (som tidligere undersøgt), eller samlet af alle de andre elektroner i selve materialet, " sagde Rudner. "Dette åbner en verden af ​​nye muligheder, hvor interne felter produceret af kollektive excitationer i materialer kan føre til en række nye fænomener."

Som Rudner og Song forklarer, egenskaberne ved kollektive tilstande, såsom plasmoner, er generelt 'låst' til deres værtsmateriale. Interessant nok, imidlertid, deres observationer beviser, at plasmoner kan trodse denne 'låsning' til deres værtsmateriale. Med andre ord, deres undersøgelse viser, at plasmoner kan have faser, der er forskellige fra det underliggende materiale, der er vært for dem.

Undersøgelsen udført af Rudner og Song giver ny værdifuld indsigt i, hvordan oscillerende elektriske felter i materialer, især ikke-magnetiske metaller, kan ændre nogle af deres egenskaber. Indtil nu, forskerne har koncentreret sig om de forskellige faser af plasmoner, men de planlægger nu at undersøge andre kollektive tilstande, der kan udvise lignende symmetri-brydende fænomener.

"Vi håber at se vores forudsigelser bekræftet i eksperimenter i den nærmeste fremtid, " sagde Rudner. "På et teoretisk plan, der er mange fundamentale spørgsmål at udforske om arten af ​​den spontane symmetribrud i ikke-ligevægt, som vi forudsagde, samt udvidelser til andre fysiske systemer og typer af adfærd. Vi planlægger også at undersøge mulige anvendelser af dette fænomen, for eksempel inden for optoelektronik."

© 2019 Science X Network