Хиральные фононы намагнитили фторид церия
Эффективное магнитное поле достигло практически 1 тесла
Физики намагнитили парамагнитный кристалл фторида церия на 39 пикосекунд с помощью импульсов терагерцового излучения с круговой поляризацией. Фотоны с такой поляризацией возбуждают в кристаллической структуре хиральные фононы, обладающие орбитальным магнитным моментом, который в свою очередь поляризует магнитный момент ионов церия так же, как и магнитное поле с напряженностью в один тесла. Исследование опубликовано в журнале Science.
Фононы — квазичастицы, описывающие согласованные колебания атомов в кристаллической решетке. Взаимодействие фононов описывает многие явления в физике твердого тела — процессы теплопроводности, сверхпроводимости в рамках теории БКШ и рассеяния частиц. Они взаимодействуют и с другими квазичастицами в твердом теле, например, с магнонами: их взаимодействие наблюдали в пленке лютеций-железного граната, а также во фториде кобальта, однако в последнем варианте фононы пришлось генерировать с помощью терагерцового излучения.
Фононы могут переносить не только тепловые колебания — в некоторых материалах возможна генерация хиральных фононов, которые обладают орбитальным магнитным моментом, благодаря отклонению атомов от равновесного положения и сонаправленному вращению вдоль эллиптической траектории с ненулевым орбитальным моментом. Поиск материалов с такими свойствами и изучение взаимодействия хиральных фононов помогут для реализации устройств на базе спинтроники или сверхбыстрого магнетизма. Хиральные фононы уже были обнаружены в двумерном диселениде вольфрама, а также в кристаллах киновари с правой закруткой.
Проявление хиральных фононов во фториде церия CeF3 обнаружила группа американских ученых под руководством профессора Ханьюй Чжу (Hanyu Zhu) из Университета Райса. Чтобы обнаружить их взаимодействие с магнитным моментом ионов церия, авторы подвергали материал воздействию излучения частотой около 10,5 терагерц и исследовали поляризацию парамагнитных моментов церия с помощью измерения магнитооптических эффектов Керра и Фарадея.
Фторид церия CeF3 был выбран не случайно — в его фононном спектре при отсутствии магнитного поля наблюдаются два дважды вырожденных уровня Eg и Eu, которые с увеличением магнитного поля расходятся по энергии по мере поляризации магнитного момента за счет эффекта Зеемана со скоростью три обратных сантиметра на тесла. Это значение расщепления уровней соответствует более чем 7 магнетонам Бора при температуре 1,9 кельвин, что превышает максимальное значение магнитного момента иона церия (III) — 2,5 магнетона Бора. Такая большая разница отметает объяснение данного механизма через гибридизацию фононных и уровней кристаллического поля ионов церия.
В поставленном эксперименте кристалл фторида церия вдоль направления кристаллографической оси c в течение 0,5 пикосекунды подвергался излучению с частотой в 10,5 терагерц — при данной частоте фторид анионы в плоскости ионов церия испытывают наибольшее отклонение от равновесного состояния, тогда как остальные ионы фтора практически не изменяют своих позиций в процессе накачки. Хиральные фононы находились в резонансе с фотонами с круговой поляризацией, полученными в нелинейных органических кристаллах тозилата 4-N,N-диметилами-4′-N′-метил-стилбазолия (DAST).
Чтобы убедиться, что именно хиральные фононы являются источником наблюдаемой намагниченности, исследователи провели измерение генерации второй гармоники, индуцированной терагерцовым электрическим полем. С понижением температуры время жизни когерентных фононов увеличивается, что позволило вычленить чистый вклад смещения атомов по отношению генерации второй гармоники между 10 кельвин и 250 кельвин. Более того, максимальная намагниченность образца и показатель спиральности второй гармоники изменяются одинаковым образом — а потому наблюдаемая намагниченность пропорциональна орбитальному моменту фонона.
Также, варьируя мощность потока терагерцового излучения, а значит и количество хиральных фононов, физикам удалось увеличить эффективное магнитное поле до 0,93 тесла при мощности в 0,44 миллиджоуля на сантиметр квадратный, что значительно превышает предыдущие эксперименты, в которых магнитное поле было порядка миллитесла. По заверениям авторов линейный тренд зависимости эффективного магнитного поля от мощности терагерцового излучения может достичь поля в 50 тесла при использовании мощности более 10 миллиджоулей на сантиметр квадратный.
Намагнитить поляризованным светом можно не только парамагнитные кристаллы, но и любые атомы с ридберговским состояниями — например, атомы гелия.
Теперь электронный парамагнитный резонанс можно измерять и с одной молекулы
Физики из Германии нанесли молекулы дейтерированного пентацена на подложку из хлорида натрия и смогли измерить сигнал электронного парамагнитного резонанса. Это удалось сделать благодаря возбуждению триплетного электронного уровня туннелирующим электроном с кончика кантилевера. Работа опубликована в журнале Nature. Измерения свойств отдельных молекул или даже атомов требуют сложных методов, ведь стандартные методы измерения отклика, например, электронов, не смогут набрать достаточного сигнала. Однако то и дело появляются группы ученых, которым все же удается это сделать. Например, четыре года назад группа физиков из США и Южной Кореи смогла снять МРТ с отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа и магнитного зонда из атомов железа. Другие ученые улучшили масс-спектрометр, чтобы тот мог измерить массу отдельной молекулы, а не ансамбля. Более того, иногда даже не требуется сложной измерительной аппаратуры — пять лет назад атом стронция удалось сфотографировать с помощью обычного фотоаппарата. Тем не менее идея объединить атомно-силовой микроскоп и ЭПР-спектрометр до сих пор реализована не была. Это удалось группе немецких физиков под руководством Яши Реппа (Jascha Repp) из Университета Регенсбурга. С помощью комбинированного прибора они смогли измерить процесс триплет-триплетного перехода молекулы дейтерированного пентацена. Для модификации прибора ученые использовали пластинку слюды с нанесенными золотыми микрополосами толщиной в 300 нанометров, на которые наносили тонкую пленку диэлектрического хлорида натрия (порядка 20 атомарных слоев), чтобы избежать туннелирования электронов между металлом и молекулой. Поменяли так же и наконечник атомно-силового микроскопа — на его кончик нанесли молекулу CO, чтобы повысить разрешение при съемке углеводородов. Все это делалось для того, чтобы квантовое состояние измеряемой молекулы как можно дольше сохраняло свои свойства без изменений. По золотым проводам, находящимся под молекулой, физики пускали переменный ток, который индуцировал осциллирующее магнитное поле в области образца, что и позволяло измерять резонансный спектр, наблюдая величину времени жизни триплетного уровня, возбужденного посредством туннелирования электрона с кончика кантилевера атомно-силового микроскопа. Узкий диапазон частоты триплет-триплетного перехода предполагает, что квантовое когерентное состояние удерживается достаточно долго. Чтобы это подтвердить, ученые провели эксперимент по наблюдению осцилляций Раби (их, например, наблюдали в электронах, выбитых из гелия ультрафиолетом) — то есть воздействовали на систему магнитным полем с частотой, близкой к резонансу. Со временем амплитуда осцилляций падала, что авторы связывают с недостаточно точным подбором частоты, так как в случае одной молекулы частота Раби зависит от конфигурации ядерных спинов молекулы. Спектр электронного парамагнитного резонанса молекулы дейтерированного пентацена оказался в 14 раз уже, чем для водородного пентацена, что связано с меньшим сверхтонким взаимодействием атомов дейтерия. А время полураспада осцилляций Раби составило 16 ± 4 микросекунды в отличие от 2,2 ± 0,3 микросекунды для водородного аналога. Такие значительные отличия позволили различить молекулы пентацена с разным содержанием атомов водорода и дейтерия. Несмотря на то, что авторы разобрались со множеством процессов, нарушающих квантовое состояние молекулы (проводимость подложки, магнитное поле от наконечника и тому подобное), остаются еще некоторые малоинтенсивные факторы, связанные уже с самим изучаемым веществом: сверхтонкое взаимодействие внутри молекулы, взаимодействие молекулы и атомов подложки, или даже взаимодействие молекул с соседними молекулами. Их и удастся изучить при помощи данной установки — раньше искажение было гораздо больше. К тому же изучение свойств молекул в осциллирующем магнитном поле позволит узнать их свойства в нулевом поле, что позволит различать разные молекулы друг от друга. Пока одни ученые занимаются технической модернизацией атомно-силового микроскопа, другие улучшают методы анализа данных, полученных с его помощью. Так физики из США и Великобритании предложили анализировать сразу серию изображений, что позволило снизить количество шумов и разглядеть молекулы аминокислот с разрешением в десятые доли нанометра.
