Звук, который притягивает: удивительное свойство антиферромагнетика

В нашем повседневном опыте мы привыкли к тому, что звук и магнетизм — это два разных феномена, которые не имеют ничего общего друг с другом. Однако, в некоторых материалах, эти явления могут тесно взаимодействовать, порождая новые и неожиданные эффекты. Один из таких эффектов — это появление магнитных моментов у звуковых волн, или фононов.

Фононы — это квазичастицы, связанные с колебаниями атомов в кристаллической решетке. Фононы могут переносить импульс и угловой момент, но обычно считается, что они не имеют магнитных моментов. Однако, недавно ученые из Нанкинского университета и Китайской академии наук обнаружили, что в антиферромагнетике Fe2Mo3O8 фононы обладают гигантскими магнитными моментами, усиленными спиновыми флуктуациями.

Антиферромагнетик — это материал, в котором атомы имеют противоположные направления своих спиновых моментов в соседних слоях решетки. В результате, суммарный магнитный момент материала равен нулю. Однако, при повышении температуры, спины начинают колебаться и нарушать антиферромагнитный порядок. Эти колебания называются спиновыми флуктуациями.

Спиновые флуктуации могут влиять на свойства фононов через различные типы спин-решеточного взаимодействия. Спин-решеточное взаимодействие — это процесс, при котором изменение положения атомов в решетке приводит к изменению спинового состояния или наоборот. В частности, спин-решеточное взаимодействие может вызывать эффект Зеемана для фононов.

Эффект Зеемана — это расщепление энергетических уровней частицы под действием внешнего магнитного поля. Этот эффект хорошо известен для электронов, которые имеют собственные магнитные моменты. Однако, если фононы также имеют магнитные моменты, то они тоже должны подвергаться эффекту Зеемана.

Именно этот эффект использовали исследователи для измерения магнитных моментов фононов в Fe2Mo3O8. Они применили два основных метода: магнито-рамановскую спектроскопию и неупругое рассеяние нейтронов. Эти методы позволили им определить фононную природу пары низкоэнергетических возбуждений при 42 см-1 (5.3 meV) в однокристаллах Fe2Mo3O8. Затем они измерили скорость сдвига частоты фононов в зависимости от величины и направления внешнего магнитного поля. Из этого сдвига они вычислили магнитные моменты фононов.

Оказалось, что магнитные моменты фононов в Fe2Mo3O8 очень велики и достигают 0.68 Бора (единица измерения магнитного момента). Это почти сравнимо с магнитным моментом электрона, равным 1 Бору. Кроме того, магнитные моменты фононов сильно зависят от температуры и увеличиваются на 600% вблизи критической температуры, при которой материал переходит из антиферромагнитной фазы в парамагнитную.

Эти результаты свидетельствуют о том, что спиновые флуктуации играют ключевую роль в формировании магнитных моментов фононов. Спиновые флуктуации создают динамические магнитные поля, которые воздействуют на фононы и вызывают их расщепление. Таким образом, фононы становятся не только переносчиками звука, но и магнетизма.

Открытие гигантских магнитных моментов фононов в антиферромагнетике открывает новые перспективы для изучения связи между звуком и магнетизмом. Эта связь может быть использована для управления магнитными динамикой с помощью звуковых волн, а также для создания новых спинтронных устройств, основанных на магнитных свойствах фононов.