Ett team av forskare, ansluten till Sydkoreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har visat möjligheten att framkalla och styra ett magnetiskt svar i ett icke -magnetiskt skiktmaterial genom selektiv excitation av specifik vibration av materialet.

Ett forskargrupp, ansluten till UNIST har nyligen visat möjligheten att inducera och kontrollera ett magnetiskt svar i ett icke -magnetiskt skiktmaterial genom selektiv excitation av specifik vibration av materialet, med hjälp av toppmoderna teoretiska simuleringsverktyg.

Detta genombrott har letts av professor Noejung Park vid Naturhögskolan i samarbete med forskare från teoriavdelningen vid MPSD (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter) och CFEL i Hamburg. I studien, forskargruppen visade att cirkulärt polariserade fononer producerar ett dalberoende dynamiskt spinntillstånd till följd av stark spin-fononkoppling, som kan utvecklas som ett fordon för kvantberäkning eller spintronikapplikationer. Resultaten av denna studie har publicerats i Naturkommunikation den 12 februari, 2018.

I vardagen, vi upplever och använder många egenskaper hos material:från elektriska och termiska ledare/isolatorer till mikro-/nano-elektronik, telekommunikation, datoranvändning, känsla, energiomvandling och skräddarsydda material med specifika mekaniska, optiska och magnetiska egenskaper, för att nämna några. Mikroskopiskt, dessa material består av elektroner och kärnor, och deras egenskaper kan mest hänföras till elektronernas kvantmekaniska arrangemang. Även om atomkärnan också kan specificeras av dess bestående partiklar, såsom protoner och neutroner, kärnans inre struktur, i de flesta fallen, spelar ingen roll för att bestämma materialets egenskaper. Istället, kärnor manifesteras tydligt genom deras vibrationer. Vibrationernas form och storlek, som specifikt kallas en fonon, är en annan dominerande faktor som bestämmer materialets egenskaper förutom laddning och snurrning av elektronerna.

Numera har forskare fokuserat på elementära strukturer av material i syfte att i slutändan miniatyrisera magnetiska enheter eller elektroniska enheter. Grafen, det enkla kollagret, och monoskiktet av övergångsmetalldikalkogenid (TMDC) är utmärkta exempel i detta perspektiv. Huruvida snurr i dessa tvådimensionella (2-D) material kan justeras för att bilda en magnet eller hur känsligt de påverkas av fononer har förblivit en viktig fråga. I deras studie, tar MoS2 och även andra TMDC som provmaterial, forskargruppen studerade hur spinnstrukturen kan ändras genom närvaron av en fonon. Omfattande superdatorberäkningar av kvantmekaniska ekvationer visade att, när ett material har en stark koppling mellan elektronernas rotations- och omloppstillstånd, en viss fonon kan härleda en spindynamik på ett liknande sätt som ett roterande magnetfält gör.

Denna effekt bygger på ett grundläggande begrepp om teoretisk fysik som kallas symmetribrytning. Särskilt i kristaller spelar symmetrierna hos atomerna en avgörande roll, och att bryta en av dem medför ofta dramatiska förändringar i materialets egenskaper. Symmetrin i ett system innebär inte bara utrymme, men kan också förlängas till tid. I det som kallas tidsomvändningssymmetri, den observerade fysiken skulle vara densamma om vi går framåt eller bakåt i tiden. Till exempel, i en video av två kolliderande biljardbollar, du kan inte avgöra om videon körs framåt eller bakåt på grund av symmetrin. Dock, i närvaro av ett magnetfält, elektronernas rörelse kan inte luras på detta sätt eftersom dess framåtgående tillstånd inte längre är symmetriskt med det bakåtgående.

Istället för ett magnetfält, många forskare har nyligen använt en cirkulärt polariserad foton, eller ett roterande ljus, för att bryta tidsomvändningssymmetrin. I deras studie, istället för en foton, de använde atomernas roterande rörelse i en kristall, dvs den cirkulära fononen, som en ny typ av tidsomvändningsmekanism. Forskargruppen visade att sådana fononer kan jämföras med närvaron av magnetfältet och kan användas för snabb manipulation av magnetiska enheter av elementära 2-D-material.