محققان حالت فونون نوری “نرم” نمونه را با میدان های مغناطیسی قوی دستکاری می کنند
هوستون، تگزاس – فونون ها ارتعاشات اتمی جمعی یا شبه ذرات هستند که به عنوان حامل های اصلی گرما در یک شبکه کریستالی عمل می کنند. تحت شرایط خاصی، خواص آنها را می توان با میدان های الکتریکی یا نور اصلاح کرد. اما تا به حال، هیچ کس متوجه نشده بود که آنها می توانند به میدان های مغناطیسی نیز پاسخ دهند.
این ممکن است به این دلیل باشد که یک آهنربای قدرتمند می‌گیرد.
دانشمندان دانشگاه رایس به رهبری فیزیکدان جونیچیرو کونو و محقق فوق دکتری آندری بایدین اثر غیرمنتظره ای را در یک کریستال نیمه رسانای کاملا غیر مغناطیسی از سرب و تلوریم (PbTe) ایجاد کردند. آنها نمونه کوچک را در معرض یک میدان مغناطیسی قوی قرار دادند و دریافتند که می توانند حالت فونون نوری “نرم” ماده را دستکاری کنند.
برخلاف فونون‌های صوتی که می‌توان آنها را به‌عنوان اتم‌هایی که همزمان حرکت می‌کنند، امواج صوتی تولید می‌کنند و بر رسانایی حرارتی یک ماده تأثیر می‌گذارند، درک کرد، فونون‌های نوری توسط اتم‌های همسایه که در جهات مخالف نوسان می‌کنند نشان داده می‌شوند و می‌توانند توسط نور برانگیخته شوند. از این رو، برچسب “نوری”.
آزمایش‌ها دورنگگی دایره‌ای مغناطیسی صدایی این ماده را نشان داد، پدیده‌ای که به وسیله آن میدان‌های مغناطیسی چپ، فونون‌های راست‌دست را تحریک می‌کنند و بالعکس، تحت میدان‌های مغناطیسی نسبتاً کم (9 تسلا). (در مقایسه، آهنربای یخچال 5 میلی تسلا یا 45000 برابر ضعیف تر است.)
پمپ کردن میدان به 25 تسلا، نمونه را به شکافتن زیمان سوق داد، که در آن خطوط طیفی مانند نور از طریق یک منشور جدا می‌شوند، اما در یک میدان مغناطیسی، یک ویژگی حیاتی در دستگاه‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای. خطوط همچنین یک تغییر کلی با میدان مغناطیسی نشان دادند. آنها گزارش کردند که این تأثیرات بسیار قوی تر از آن چیزی است که تئوری انتظار می رود.
کونو درباره این مطالعه که در Physical Review Letters آمده است ، گفت: «این کار روش جدیدی را برای کنترل فونون ها نشان می دهد . هیچ‌کس انتظار نداشت که فونون‌ها را می‌توان با یک میدان مغناطیسی کنترل کرد، زیرا فونون‌ها معمولاً به میدان‌های مغناطیسی پاسخ نمی‌دهند مگر اینکه کریستال مغناطیسی باشد.
این کشف توسط RAMBO (مگنت پیشرفته برنج با اپتیک باند پهن)، یک طیف سنج رومیزی در آزمایشگاه کونو امکان پذیر شد که به مواد اجازه می دهد تا خنک شوند و در معرض میدان های مغناطیسی بالا قرار بگیرند. ضربه زدن به نمونه با لیزر به محققان اجازه می دهد تا حرکت و رفتار الکترون ها و اتم ها را در داخل ماده ردیابی کنند.
در این مورد، اتم‌های متناوب تحت مجموعه‌ای از شرایط واکنش متفاوتی از خود نشان می‌دهند – دمای پایین، مغناطیسی شده، و تحریک شده توسط امواج تراهرتز – تحمیل شده توسط RAMBO. طیف سنج جذب نور پلاریزه شده توسط فونون ها را حس می کند.
بایدین، یکی از نویسندگان این مقاله، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه کونو، می گوید: «میدان مغناطیسی این یون ها را مجبور می کند تا در یک مدار دایره ای نوسان کنند. نتیجه این است که گشتاور مغناطیسی مؤثر این فونون ها بسیار بزرگ است.
او گفت: “هیچ برهمکنش رزونانسی بین فونون ها و الکترون ها در میدان های مغناطیسی بالا وجود ندارد، بنابراین غیرممکن است که الکترون ها باعث پاسخ مغناطیسی فونون ها شوند.” شگفت‌انگیز این است که به نظر می‌رسد خود فونون‌ها مستقیماً به میدان مغناطیسی پاسخ می‌دهند، چیزی که مردم قبلاً آن را ندیده بودند و فکر نمی‌کردند که ممکن است.»
کونو گفت که کاربردهای این اکتشاف هنوز قابل مشاهده است، اما او گمان می‌کند که برای فن‌آوران کوانتومی جالب باشد. او گفت: «فکر می‌کنم این کشف شگفت‌انگیز پیامدهای بلندمدتی در آواشناسی کوانتومی دارد، زیرا اکنون راهی برای کنترل فونون‌ها با استفاده از میدان مغناطیسی وجود دارد.
فلیکس هرناندز از دانشگاه سائوپائولو، برزیل و مارتین رودریگز-وگا از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، نویسندگان اصلی مقاله هستند. نویسندگان همکار آندرسون اوکازاکی، پائولو راپل، و ادواردو آبراموف از موسسه ملی تحقیقات فضایی، سائوپائولو، برزیل هستند. دانشجوی فارغ التحصیل فیزیک کاربردی فویانگ تای و فارغ التحصیل تیموتی نوئه رایس. ایکوفومی کاتایاما و جون تاکدا از دانشگاه ملی یوکوهاما، ژاپن؛ هیرویوکی نوجیری از دانشگاه توهوکو، ژاپن؛ و گرگوری فیتی از دانشگاه نورث ایسترن و موسسه فناوری ماساچوست.
کونو استاد کارل اف. هاسلمان در مهندسی و استاد مهندسی برق و کامپیوتر، فیزیک و نجوم و علم مواد و مهندسی نانو است.
این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم (1720595)، یک کمک هزینه مشارکتی Brasil@Rice، بنیاد تحقیقات سائوپائولو (2015/16191-5، 2018/06142-5) و شورای ملی توسعه علمی و فناوری (307737/) تامین شد. 2020-9)، برنامه تحقیق و توسعه به رهبری آزمایشگاه لوس آلاموس، وزارت انرژی ایالات متحده، و انجمن ژاپن برای ترویج علم (20H05662).
– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشگاه رایس منتشر شد