Иллюстрация: N + 1; Jiaming Luo et al. / Science. В своем недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые описали абсолютно новый передовой метод намагничивания парамагнитных кристаллов фторида церия за 39 пикосекунд посредством воздействия терагерцового излучения с длинными импульсами круговой поляризации. Фотоны данной поляризации индуцируют в кристаллической структуре хиральные фононы — квазичастицы, представляющие согласованные колебания атомов решетки. Эти фононы обладают орбитальным магнитным моментом, который обеспечивает поляризацию магнитных моментов ионов церия с интенсивностью, сопоставимой с воздействием магнитного поля напряженностью один тесла. 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 E_g и E_u, 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

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).

Изображение атомных смещений (синие и красные стрелочки) в кристаллической структуре фторида церия. Jiaming Luo et al. / Science

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.

Зависимость эффективного магнитного поля, наводящего намагниченность в парамагнитном фториде церия от мощности излучения. Jiaming Luo et al. / Science

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.

Для любознательных:

Возможность намагничивания фторида церия (CeF₃) с помощью мощного импульсного излучения терагерцового диапазона открыла принципиально новое направление в физике твердого тела и физике неравновесных квантовых сред. Использование ультракоротких ТГц-импульсов позволяет бесконтактно и со сверхвысокой скоростью управлять магнитным состоянием парамагнетиков без выделения тепла. В основе этого явления лежит резонансное возбуждение атомной решетки, которое заставляет кристаллы вести себя так, будто они находятся внутри мощного постоянного магнита.

Ниже представлена аналитическая статья, описывающая суть открытия, физические механизмы и текущее состояние исследований в России и мире.

Укрощение «цериевого танца»: как терагерцовые лучи намагничивают кристаллы

До недавнего времени считалось, что быстро и эффективно управлять магнитным порядком в материалах можно только с помощью внешних магнитных полей, либо используя мощные лазеры видимого диапазона, которые сильно нагревают материал. Однако открытие нетермического контроля над спинами с помощью терагерцового (ТГц) излучения совершило переворот в концепциях спинтроники. Особый интерес физиков сегодня прикован к кристаллическим структурам фторида церия (CeF₃).

Физический механизм: хиральные фононы и внутрикристаллическое поле

Фторид церия при низких температурах является сильным парамагнетиком. Сами по себе его ионы церия (Ce³⁺) обладают некомпенсированным магнитным моментом, но в обычных условиях они ориентированы хаотично.

Намагничивание CeF₃ терагерцовыми импульсами реализуется через два ключевых механизма:

• Возбуждение хиральных фононов: Импульс ТГц-излучения с круговой поляризацией заставляет атомы решетки совершать однонаправленные круговые движения вокруг своих положений равновесия. Этот микродвиженческий «танец» (хиральный фонон) порождает орбитальный магнитный момент, нарушающий симметрию по отношению к инверсии времени. Возникает квазистатическое эффективное магнитное поле порядка 1 Тесла, которое выстраивает спины электронов Ce³⁺ в одном направлении.
• Электронные переходы во внутрикристаллическом поле: Исследования 2026 года подтвердили, что ТГц-свет также напрямую резонансно возбуждает локализованные 4f-электроны церия, расщепленные внутрикристаллическим полем. Это создает обратный эффект Фарадея и формирует долгоживущую намагниченность (до 100 пикосекунд), спектральный отклик которой зависит от длины волны накачки.

Мировой контекст исследований

Мировое научное сообщество рассматривает ТГц-намагничивание как фундамент для создания энергоэффективной памяти будущего (сверхбыстрой спинтроники).

• Ключевой прорыв: Международные группы ученых впервые экспериментально зафиксировали, что динамическая решетка CeF₃ способна удерживать индуцированную намагниченность.
• Развитие концепции: Параллельно на других антиферромагнитных структурах (например, Ван-дер-Ваальсовых кристаллах FePS₃) мировые лаборатории научились с помощью ТГц-импульсов переключать скрытые метастабильные состояния, которые живут уже не пикосекунды, а миллисекунды.
• Где исследуют: Ведущие синхротронные центры и лазерные лаборатории США, Европы (включая Нидерланды и Германию) и Китая активно работают над созданием двумерной ТГц-спектроскопии для полного контроля квантовых фазовых переходов.

Исследования и разработки в России

В России исследования взаимодействия ТГц-волн с кристаллическими структурами и редкоземельными материалами опираются на мощную отечественную школу радиофизики и лазерной оптики.

• Генерация терагерцового излучения: Одной из главных проблем долгое время оставалась низкая эффективность источников ТГц-волн. В сентябре 2026 года физики из ИЯФ СО РАН (Новосибирск) совместно с РУДН и НТЦУП РАН разработали усовершенствованный метод плазменной генерации ТГц-волн, который повышает эффективность лазерно-ТГц конверсии сразу на два порядка. Это снимает технические ограничения по мощности накачки для таких сред, как фторид церия.
• Экспериментальная и теоретическая база: Российские институты (включая ИПФ РАН в Нижнем Новгороде и ФИАН в Москве) активно исследуют фемтосекундную оптику, фотопроводящие антенны и метаматериалы. Проводятся смежные работы по изучению поведения редкоземельных соединений в ТГц-полях (например, ортоферритов, где ТГц-лучи переориентируют магноны в фононы и переключают намагниченность в 10 раз сильнее классических полей).
• Прикладной аспект CeF₃: В России фторид церия также традиционно изучается как один из лучших сцинтилляторов (веществ, светящихся под рентгеном). Накопленный опыт по выращиванию чистых монокристаллов CeF₃ сейчас помогает российским физикам быстрее адаптировать этот материал под нужды ТГц-магнитооптики.

Сравнение механизмов управления намагниченностью

Параметр	Классическое магнитное поле	ТГц-излучение (Хиральные фононы)	ТГц-излучение (Внутрикристаллическое поле)
Скорость включения	Медленная (миллисекунды)	Ультрабыстрая (пикосекунды)	Ультрабыстрая (фемто-/пикосекунды)
Тепловые потери	Высокие (ток в катушках)	Практически отсутствуют (нетепловой путь)	Отсутствуют
Локализация	Макроскопическая	Субмикронная (в пределах пятна фокусировки)	Субмикронная
Время жизни состояния	Постоянное	Временное (длина фононной релаксации, ~39 пс)	Временное (до 100 пс)

Перспективы технологии

Намагничивание фторида церия терагерцовым излучением — это шаг к созданию вычислительных систем, работающих на частотах ТГц-диапазона. В будущем это позволит создавать ячейки магнитной памяти (MRAM), способные перезаписывать информацию за доли пикосекунды без нагрева процессора, что решит проблему энергопотребления современных суперкомпьютеров.

Автор: Артем Моськин
Источник: https://nplus1.ru/