bởi Silvia Cernea Clark, Đại học Rice

Nguồn: https://phys.org/news/2023-11-leverages-chiral-phonons-quantum-effect.html

Các phonon bất đối bị kích thích bởi các xung ánh sáng terahertz phân cực tròn tạo ra từ hóa cực nhanh trong xeri florua. Các ion flo (màu đỏ, màu hoa vân anh) được kích hoạt chuyển động bằng các xung ánh sáng terahertz phân cực tròn (xoắn ốc màu vàng), trong đó màu đỏ biểu thị các ion có chuyển động lớn nhất ở chế độ phonon đối xứng. Ion xeri được thể hiện bằng màu xanh mòng két. Kim la bàn tượng trưng cho từ hóa gây ra bởi các nguyên tử đang quay. Nhà cung cấp hình ảnh: Mario Norton và Jiaming Luo/Rice University

  Vật liệu lượng tử nắm giữ chìa khóa cho tương lai của các hệ thống thông tin tiết kiệm năng lượng, tốc độ cực nhanh. Vấn đề khi khai thác tiềm năng biến đổi của chúng là ở chỗ trong chất rắn, số lượng lớn nguyên tử thường lấn át các đặc tính lượng tử kỳ lạ mà các electron mang theo.

  Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice trong phòng thí nghiệm của nhà khoa học vật liệu lượng tử Hanyu Zhu phát hiện ra rằng khi chúng chuyển động theo vòng tròn, các nguyên tử cũng có thể tạo ra điều kỳ diệu: Khi mạng nguyên tử trong tinh thể đất hiếm trở nên sống động với một dao động hình xoắn ốc được gọi là phonon đối xứng, tinh thể biến thành nam châm.

    Theo một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science, việc cho xeri florua tiếp xúc với các xung ánh sáng cực nhanh sẽ đưa các nguyên tử của nó vào một vũ điệu làm thu hút các spin của điện tử trong giây lát, khiến chúng thẳng hàng với chuyển động quay của nguyên tử. Mặt khác, sự sắp xếp này sẽ cần một từ trường mạnh để kích hoạt, vì xeri florua có tính thuận từ tự nhiên với các spin định hướng ngẫu nhiên ngay cả ở nhiệt độ bằng 0.

“Mỗi electron sở hữu một spin từ tính hoạt động giống như một kim la bàn nhỏ được gắn vào vật liệu, phản ứng với từ trường cục bộ”, nhà khoa học vật liệu Rice và đồng tác giả, ông Boris Yakobson, cho biết. “Chirality – còn được gọi là thuận tay vì cách mà tay trái và tay phải phản chiếu lẫn nhau mà không chồng chéo lên nhau – sẽ không ảnh hưởng đến năng lượng của spin của các electron. Nhưng trong trường hợp này, chuyển động bất đối của mạng nguyên tử làm phân cực các spin bên trong vật liệu như thể có một từ trường lớn được áp vào."

    Mặc dù chỉ tồn tại trong thời gian ngắn, nhưng lực làm thẳng hàng các spin vẫn tồn tại lâu hơn thời gian của xung ánh sáng một khoảng đáng kể. Vì các nguyên tử chỉ quay ở những tần số nhất định và chuyển động trong thời gian dài hơn ở nhiệt độ thấp hơn, nên các phép đo phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số bổ sung xác nhận thêm rằng từ hóa xảy ra là kết quả của điệu nhảy bất đối tập thể của các nguyên tử.

   Zhu, Chủ tịch William Marsh Rice của Rice và trợ lý giáo sư về khoa học vật liệu và kỹ thuật nano cho biết: “Hiệu ứng của chuyển động nguyên tử lên các electron là đáng ngạc nhiên vì các electron nhẹ hơn và nhanh hơn rất nhiều so với nguyên tử. Các electron thường có thể thích nghi ngay lập tức với một vị trí nguyên tử mới mà quên đi quỹ đạo trước đó của chúng. Tính chất vật chất sẽ không thay đổi nếu các nguyên tử chuyển động theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ, tức là di chuyển tiến hoặc lùi theo thời gian – một hiện tượng mà các nhà vật lý gọi là đối xứng nghịch đảo thời gian."

    Ý tưởng cho rằng chuyển động tập thể của các nguyên tử phá vỡ tính đối xứng nghịch đảo thời gian mới xuất hiện khá gần đây. Hiện nay, các phonon bất đối đã được chứng minh bằng thực nghiệm ở một số vật liệu khác nhau, nhưng người ta vẫn chưa hiểu rõ chính xác chúng tác động như thế nào đến các tính chất vật liệu.

   Zhu cho biết: “Chúng tôi muốn đo lường một cách định lượng tác động của các phonon bất đối lên các tính chất điện, quang và từ của vật liệu”. “Vì spin đề cập đến chuyển động quay của electron trong khi phonon mô tả chuyển động quay nguyên tử, nên có một kỳ vọng ngây thơ rằng cả hai có thể giao tiếp với nhau. Vì vậy, chúng tôi quyết định tập trung vào một hiện tượng hấp dẫn gọi là sự ghép nối spin-phonon.”

  Sự ghép nối spin-phonon đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng trong thế giới thực như ghi dữ liệu trên đĩa cứng. Đầu năm nay, nhóm của Zhu đã trình diễn một trường hợp mới về sự ghép cặp spin-phonon trong các lớp phân tử đơn lẻ với các nguyên tử chuyển động tuyến tính và lắc theo các spin.

   Trong các thí nghiệm mới của họ, Zhu và các thành viên trong nhóm phải tìm cách điều khiển một mạng nguyên tử chuyển động theo kiểu bất đối xứng. Điều này đòi hỏi họ phải chọn đúng vật liệu và tạo ra ánh sáng ở tần số phù hợp để gửi mạng nguyên tử của nó chuyển động xoáy với sự trợ giúp của tính toán lý thuyết từ các cộng tác viên.

Jiaming Luo, một sinh viên tốt nghiệp vật lí ứng dụng và là tác giả chính của nghiên cứu , giải thích: “Không có nguồn sáng sẵn có nào cho tần số phonon của chúng tôi ở khoảng 10 terahertz” . “Chúng tôi tạo ra các xung ánh sáng bằng cách trộn các ánh sáng hồng ngoại cường độ cao và xoắn điện trường để ‘giao tiếp’ với các phonon đối xứng. Hơn nữa, chúng tôi lấy hai xung ánh sáng hồng ngoại khác để theo dõi chuyển động quay và chuyển động nguyên tử tương ứng.”

    Ngoài những hiểu biết sâu sắc về sự liên kết spin-phonon thu được từ các kết quả nghiên cứu, thiết kế và bố trí thử nghiệm sẽ giúp cung cấp thông tin cho các nghiên cứu trong tương lai về vật liệu từ tính và điện tử.

    Zhu cho biết: “Chúng tôi hy vọng rằng việc đo định lượng từ trường từ các phonon bất đối có thể giúp chúng tôi phát triển các quy trình thí nghiệm để nghiên cứu vật lý mới trong các vật liệu động”. “Mục tiêu của chúng tôi là chế tạo các vật liệu không tồn tại trong tự nhiên thông qua các trường bên ngoài – chẳng hạn như các dao động ánh sáng hoặc lượng tử.”