Открито е необичайно свръхбързо движение в слоести магнитни материали

Откритието е вдъхновено от експериментите на Айнщайн и де Хаас

Ваня Милева Последна промяна на 10 август 2023 в 00:01 8744 0

Атомен килим, задвижен от разбъркани спинове. Срязването на атомните слоеве в слоестия железен фосфорен трисулфид се причинява от разбъркване на спиновете на електрони при излагане на светлинен импулс. Подредени спинове отляво, разбъркани спинове отдясно.

Кредит Argonne National Laboratory

Атомен килим, задвижен от разбъркани спинове. Срязването на атомните слоеве в слоестия железен фосфорен трисулфид се причинява от разбъркване на спиновете на електрони при излагане на светлинен импулс. Подредени спинове отляво, разбъркани спинове отдясно.

Магнитните материали отдавна са обект на изследвания за това как микроскопичната конфигурация на спина води до необичайни свойства в макроскопичен машаб. Един такъв пример е ефектът на Айнщайн и Де Хаас във феромагнитите, който позволява ъгловият момент на спиновете да се прехвърли в механичното въртене на целия предмет.

Все още обаче не е ясно как подреждането на спиновете се свързва с макроскопичното движение в антиферомагнити без нетен магнитен момент. Ако експериментът може да бъде възпроизведен и резултатите потвърдени, това може да доведе до различни приложения, по-специално в биомедицината.

В ново изследване екип от изследователи от Аргон и други национални лаборатории и университети в САЩ съобщават за аналогичен, но различен ефект в антиферомагнит. В този експеримент изследователите използват електронния спин, за да предизвикат механична реакция в цилиндър - макроскопичен обект.

"Електронният спин" е свойство на електроните, което може да бъде представено като въртящ се пумпал. Посоката на това въртене, често представена със стрелка, може да варира, например нагоре или надолу. В магнитните материали всички тези ротации (спинове) обикновено са в една и съща посока, което придава на целия материал магнетизъм (способността да бъде привлечен от магнит).

Има обаче друг вид магнитни материали: антиферомагнитни. В антиферомагнитен материал съседните спинове на електроните са насочени в противоположни посоки, вместо винаги да сочат нагоре. Антиферомагнитите не реагират на промени в магнитното поле като феромагнитите, защото техните противоположни спинове се неутрализират взаимно.

Парамагнитните материали реагират на външното магнитно поле, но много слабо и за разлика от феромагнитните материали не се намагнитват под негово въздействие – при излизането им от полето магнитните им свойства изчезват. Антиферомагнетизъм е магнитно състояние на веществата, при което магнитните моменти на съседните частици се ориентират противоположно (неуспоредно), което води до много ниско намагнитване на цялото тяло. Феримагнетизъм у веществата се наблюдава, когато техните атоми имат противоположни магнитни моменти, както и при антиферомагнетизма, но при феримагнитните вещества противоположните моменти не са равни и все още има спонтанно намагнитване. Кредит: DOI:10.13140/RG.2.1.3881.8405

Хайдан Уен (Haidan Wen), физик в департаментите "Материалознание" и "Рентгенология" на Националната лаборатория "Аргон" към Министерството на енергетиката на САЩ (DOE), коментира: " Зададохме си въпроса: може ли спинът на електрона да предизвика реакция в антиферомагнит, която да е различна, но сходна по дух с тази от въртенето на цилиндъра в експеримента на Айнщайн-де Хас?"

Изследователите създават образец на антиферомагнита железен фосфорен трисулфид (FePS3), за да дадат отговор на този въпрос. Всеки слой на образеца, който се състои от няколко слоя FePS3, е дебел само няколко атома. FePS3 е уникален спрямо обикновения магнит, тъй като е създаден в слоеста структура с много слабо взаимодействие между слоевете.

"Разработихме набор от потвърдителни експерименти, в които изстреляхме свръхбързи лазерни импулси към този слоест материал и измерихме произтичащите промени в свойствата на материала с оптични, рентгенови и електронни импулси", разказва Уен. 

Изследователите откриват, че импулсите променят магнитните свойства на материала, разбърквайки подредената ориентация на електронните спинове. Вместо да са подредени или нагоре, или надолу по систематичен начин, посоките за електронните спинове вече са дезорганизирани.

"Това разбъркване на електронните спинове води до механична реакция в целия образец. Тъй като взаимодействието между слоевете е слабо, един слой от образеца може да се плъзга напред-назад по отношение на съседния слой", обяснява Нух Гедик (Nuh Gedik), професор по физика в Масачузетския технологичен институт (MIT). 

Времето за трептене на това движение е изключително кратко - от 10 до 100 пикосекунди. Определението за пикосекунда е една трилионна част от секундата. Светлината се движи само с една трета от милиметъра за една пикосекунда, а това е изключително бързо.

Необходими са много прецизни научни съоръжения за измерване на проби в атомен мащаб и времева разделителна способност в пикосекунден мащаб. За да постигнат това, учените използват най-съвременни свръхбързи сонди, които анализират атомни структури с помощта на електронни и рентгенови лъчи.

Многослойният антиферомагнит също така изпитва ефекти от спина на електроните с продължителност, по-голяма от пикосекунди. Членовете на екипа установяват, че флуктуиращите движения на слоевете значително се забавят около момента, в който електронните спинове преминават от безпорядъчно към подредено поведение.

"Ключовото откритие в настоящото ни изследване бе намирането на връзка между електронния спин и движението на атомите, която е специална за слоестата структура на този антиферомагнит. И тъй като тази връзка се проявява в такива кратки времеви и малки мащаби на дължината, ние предвиждаме, че възможността да се контролира това движение чрез промяна на магнитното поле или прилагане на малка деформация ще има важни последици за наноразмерните устройства", споделя  Алфред Зонг (Alfred Zong).

Справка: Zong, A., Zhang, Q., Zhou, F., et al. Spin-mediated shear oscillators in a van der Waals antiferromagnet. Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06279-y

Източник: Unusual ultrafast motion discovered in layered magnetic materials, ТechЕxplorist 

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !