Иллюстрация: N + 1; Jiaming Luo et al. / Science, 2023. Физики – экспериментаторы сумели осуществить намагничивание парамагнитного кристалла фторида церия путем применения мощного импульсного излучения терагерцового диапазона с волной, имеющей круговую поляризацию. Примененный тип фотонной поляризации возбуждает хиральные фононы кристалической структуры, которые имеют орбитальный магнитный момент, поляризующий магнитный момент ионов церия так же, как и магнитное поле с напряженностью в одну тесла. Исследование опубликовано в журнале Science. Фононы — это 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.

Схема эксперимента по измерению магнитооптического эффекта Керра. Jiaming Luo et al. / Science, 2023
Изображение атомных смещений (синие и красные стрелочки) в кристаллической структуре фторида церия. Jiaming Luo et al. / Science, 2023
Зависимость эффективного магнитного поля, наводящего намагниченность в парамагнитном фториде церия от мощности излучения. Jiaming Luo et al. / Science, 2023
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.
Автор: Артем Моськин
Источник: https://nplus1.ru/