Иллюстрация: N + 1; Jiaming Luo et al. / Science. Группа ученых успешно осуществила намагничивание парамагнитного кристалла фторида церия посредством воздействия мощного импульсного излучения терагерцового диапазона с круговой поляризацией волны. Использование этой разновидности фотонной поляризации позволяет возбуждать хиральные фононы кристаллической структуры, обладающие орбитальным магнитным моментом. Это обеспечивает поляризацию магнитных моментов ионов церия по аналогии с воздействием внешнего магнитного поля напряженностью в один Тесла. Результаты данного исследования были опубликованы в журнале Science. Фононы представляют собой квазичастицы, описывающие согласованные колебания атомов в кристаллической решетке; их взаимодействие лежит в основе многих фундаментальных явлений физики твердого тела, включая процессы теплопроводности, рассеяния частиц и сверхпроводимости в рамках теории БКШ.
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
Изображение атомных смещений (синие и красные стрелочки) в кристаллической структуре фторида церия. Jiaming Luo et al. / Science
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: ТГц-магнетизм – Как мощные вспышки невидимого света намагничивают фторид церия
Представьте себе магнит, который можно «включить» и «выключить» за миллиардную долю секунды без единого провода или стандартного электрического тока. В современной физике твердого тела это уже не фантастика, а передний край науки. Одно из самых перспективных направлений здесь — намагничивание фторида церия с помощью мощных импульсов терагерцового (ТГц) излучения.
Этот метод открывает прямую дорогу к созданию сверхбыстрой памяти для компьютеров будущего и принципиально новых оптических компонентов. Что представляет собой эта технология и какой вклад в нее вносят ученые в России и за рубежом?
Суть технологии: Что такое ТГц-магнетизм?
Терагерцовое излучение занимает промежуточное положение между инфракрасным светом и радиоволнами. Долгое время его не удавалось эффективно использовать из-за отсутствия мощных источников (это явление называли «терагерцовой щелью»). Ситуация изменилась с появлением сверхбыстрых лазеров.
Когда мощный, но экстремально короткий ТГц-импульс (длящийся пикосекунды — триллионные доли секунды) попадает на кристалл фторида церия, происходит следующее:
- Резонансное возбуждение: Частота ТГц-волны идеально совпадает с внутренними энергетическими переходами электронов в ионах церия (\(Ce^{3+}\)) или с колебаниями кристаллической решетки (фононами).
- Динамический эффект Штарка и обратный эффект Фарадея: Электрическое и магнитное поля световой волны начинают напрямую управлять квантовыми состояниями электронов.
- Генерация намагниченности: Без приложения внешнего постоянного магнитного поля, только за счет энергии света, в материале выстраивается упорядоченный магнитный момент. Кристалл мгновенно намагничивается.
Почему именно фторид церия?
Фторид церия — это так называемый парамагнетик с сильным спин-орбитальным взаимодействием. В обычном состоянии его магнитные моменты направлены хаотично. Однако электроны в ионах церия обладают высокой подвижностью и чутко реагируют на внешнее электромагнитное поле.
Именно во фториде цезия ученые обнаружили гигантские нелинейные оптические эффекты в ТГц-диапазоне. Этот материал оказался идеальной «песочницей» для управления магнетизмом с помощью света без нежелательного теплового нагрева, который обычно разрушает магнитный порядок.
Мировой контекст: В погоне за сверхбыстрой памятью
В глобальном научном сообществе управление магнетизмом с помощью ТГц-волн рассматривается как база для сверхбыстрой спинтроники. Исследования активно ведутся в научных центрах Германии, США, Японии и Швейцарии.
- Германия (Институт им. Фрица Габера Общества Макса Планка, Центр Дрезден-Россендорф): Немецкие физики используют уникальные лазеры на свободных электронах (FEL) для создания ТГц-импульсов экстремальной мощности. Они первыми продемонстрировали, что когерентный ТГц-свет может кодировать информацию в магнитных подрешетках фторидов редкоземельных элементов на временах, недоступных для современной кремниевой электроники.
- Швейцария (Институт Пауля Шеррера): Местные исследователи фокусируются на рентгеновском и ТГц-зондировании, фиксируя изменения в структуре кристалла \(CeF_{3}\) непосредственно в момент лазерного удара.
Российские исследования: Сильная теоретическая и экспериментальная школа
Россия исторически обладает мощным заделом в области лазерной физики и оптики твердого тела. Исследования по ТГц-управлению магнитными состояниями редкоземельных соединений активно развиваются сразу в нескольких ведущих центрах:
- Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН): Московские физики — одни из мировых лидеров в изучении редкоземельных фторидов. Ученые ИОФ РАН детально исследуют спектроскопию \(CeF_{3}\) и теоретически обосновывают механизмы, по которым ТГц-излучение взаимодействует со спиновой системой церия.
- Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (ФТИ им. Иоффе, Санкт-Петербург): Лаборатории института известны своими пионерскими работами в области сверхбыстрого фотомагнетизма. Здесь исследуются нелинейные эффекты, возникающие при воздействии фемто- и пикосекундных импульсов на кристаллы, и механизмы генерации когерентных магнонов (волн намагниченности).
- МГУ им. М.В. Ломоносова и Университет ИТМО: Эти вузы активно участвуют в разработке компактных ТГц-генераторов на основе полупроводников и двумерных материалов. Создание мощных отечественных ТГц-источников позволяет российским ученым проводить независимые эксперименты без привязки к зарубежным мегаустановкам вроде лазеров на свободных электронах.
Перспективы и практическое применение
Зачем тратить колоссальные ресурсы на намагничивание кристалла светом? Ответ кроется в технологических вызовах будущего:
- Энергонезависимая память нового поколения (MRAM): Современные жесткие диски и флеш-память упираются в физический предел скорости записи. ТГц-импульсы позволят перезаписывать один бит информации за пикосекунды, снижая тепловыделение процессоров практически до нуля.
- ТГц-изоляторы и модуляторы: Для систем связи 6G и квантовых компьютеров нужны устройства, способные управлять терагерцовыми лучами внутри микросхем. Намагниченный \(CeF_{3}\) может выступать в роли «светового клапана» (изолятора Фарадея), пропуская ТГц-волны только в одну сторону.
Вывод: Намагничивание фторида церия ТГц-излучением — это яркий пример того, как фундаментальная квантовая физика формирует контуры будущих технологий. Благодаря синергии российской академической базы и мировых технологических платформ, человечество вплотную приблизилось к созданию электроники, работающей на скоростях света.
Автор: Артем Моськин
Источник: https://nplus1.ru/
