Хиральные фононы намагнитили фторид церия

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 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.

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.