Under det senaste decenniet, otaliga fysikstudier har utforskat hur oscillerande elektriska fält som produceras av lasrar eller mikrovågskällor kan användas för att dynamiskt ändra materialegenskaper vid behov. I en ny studie som presenteras i Naturfysik , två forskare vid Köpenhamns universitet och Nanyang Technological University (NTU), i Singapore, har byggt på resultaten av dessa studier, avslöja en mekanism genom vilken en icke-magnetiskt interagerande metall spontant kan magnetisera.

"Nya experiment inom nanoplasmonik har visat att när elektronerna i metalliska system i nanoskala är kollektivt exciterade, Dom kan, faktiskt, producera extremt intensiva oscillerande elektriska fält helt på egen hand, "Mark Rudner, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "I ljuset av denna observation, vi satte oss för att avslöja vilka nya fenomen som kan uppstå när dessa "inre fält" i ett material återkopplar för att förändra materialets egenskaper."

De inre fälten som Rudner refererar till är intensivt oscillerande elektriska fält som härrör från laddningssvängningar i en metall, känd som plasmoner. Plasmoner används ofta för att begränsa ljus till längdskalor långt under dess ursprungliga våglängd i nanoskala, samt att styra dess utbredning genom enheter. Det detaljerade beteendet hos en plasmon (t.ex. frekvensen den svänger vid, dess kiralitet, etc.) är direkt beroende av ett materials egenskaper, såsom dess elektroniska bandstruktur.

"Vanligtvis, dessa materialspecifikationer anses vara fasta kvantiteter av det valda materialet; för att få en annan typ av plasmon skulle man konventionellt behöva använda ett annat material, "Justin Song, den andra forskaren som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Vi undrade om det fanns ett sätt att komma runt denna begränsning. Viktigt, om en plasmons starka inre fält kunde modifiera ett materials elektroniska bandstruktur och därigenom ändra materialets egenskaper, det skulle också transformera plasmonet, sätta upp en återkopplingsslinga som gör det möjligt för plasmonen att anta nya typer av beteende."

När de insåg att oscillerande inre fält i ett exciterat material kan ändra dess elektroniska egenskaper, Rudner och Song tänkte demonstrera detta koncept på enklast möjliga sätt. De bestämde sig därför för att studera grafenskivor i nanoskala, eftersom grafen är ett allmänt tillgängligt och högkvalitativt material som har gynnsamma egenskaper för att observera denna effekt. Med denna inställning, de visade de förhållanden under vilka återkoppling från de interna fälten i kollektiva lägen kunde utlösa en instabilitet mot spontan magnetisering i systemet.

"Vi analyserade teoretiskt hur plasmonerna i en grafenskiva förvandlades under linjärt polariserad bestrålning och fann att när ljusintensiteten var låg, plasmonen ska oscillera i samma riktning som ljuspolarisationen, " förklarade Song. "Men, över en kritisk intensitet, vår teoretiska analys visade att plasmonen spontant kan välja att rotera, erhåller en handighet som ursprungligen inte fanns i metallskivan eller det utstrålande ljuset. På det här sättet, plasmonerna förvärvar ett "separat liv" (spontant val av en kiralitet) som är skilt från både materialet som är värd för den (metallskivan) och ljusfältet som driver den (den linjärt polariserade bestrålningen)."

I deras studie, Rudner och Song visade att de kollektiva sätten för drivna system ibland kan ta ett eget liv, " uppvisar unika och spontana symmetribrytande fenomen som är oberoende av den underliggande jämviktsfasen. Även om forskarna illustrerade denna princip med nanoskala grafenskivor, det gäller även andra material.

"Den viktigaste observationen när vi genomförde vår analys var att, ur en elektrons synvinkel i ett material, ett elektriskt fält är ett elektriskt fält:det spelar ingen roll om detta oscillerande fält producerades av en laser som lyser på materialet utifrån (som tidigare studerats), eller tillsammans av alla andra elektroner i själva materialet, ", sa Rudner. "Detta öppnar en värld av nya möjligheter där interna fält som produceras av kollektiva excitationer i material kan leda till en mängd nya fenomen."

Som Rudner och Song förklarar, egenskaperna hos kollektiva lägen, såsom plasmoner, är i allmänhet "låsta" till sitt värdmaterial. Intressant, dock, deras observationer bevisar att plasmoner kan trotsa denna "låsning" till sitt värdmaterial. Med andra ord, deras studie visar att plasmoner kan ha faser som är olika från det underliggande materialet som är värd för dem.

Studien utförd av Rudner och Song ger ny värdefull insikt i hur oscillerande elektriska fält inom material, särskilt icke-magnetiska metaller, kan ändra vissa av deras egenskaper. Än så länge, forskarna har koncentrerat sig på de distinkta faserna av plasmoner, men de planerar nu att undersöka andra kollektiva lägen som kan uppvisa liknande symmetribrytande fenomen.

"Vi hoppas få se våra förutsägelser bekräftas i experiment inom en snar framtid, " sa Rudner. "På en teoretisk nivå, det finns många grundläggande frågor att utforska om karaktären av det spontana symmetribrott som vi förutspådde i icke-jämvikt, samt utökningar till andra fysiska system och typer av beteenden. Vi planerar också att undersöka möjliga tillämpningar av detta fenomen, till exempel inom optoelektronik."

© 2019 Science X Network