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非磁性相互作用金屬中的自發磁化

?在過去的十年中,許多物理學研究探索了激光或微波源產生的振蕩電場如何用于動態改變材料的性質。在自然物理學的一項新研究中,哥本哈根大學和南洋理工大學(NTU)的兩位研究人員在新加坡的研究成果的基礎上,揭示了一種非磁性相互作用金屬可以自發磁化的機制。

“最近在納米等離子體中的實驗表明,當納米級金屬系統中的電子被共同激發時,它們實際上可以產生極其強烈的振蕩電場,”研究人員之一Mark Rudner進行了這項研究,告訴Phys.org。“根據這一觀察結果,我們著手揭示當材料中的這些'內部區域'反饋以改變材料本身的特性時可能出現的新現象。”

Rudner所指的內部場是強烈的振蕩電場,源自金屬中的電荷振蕩,稱為等離子體。等離子體通常用于將光限制在遠低于其原始波長的納米尺度的長度尺度,以及引導其通過器件傳播。等離子體激元的詳細行為(例如,它振蕩的頻率,其手性等)直接取決于材料的性質,例如其電子帶結構。

“通常情況下,這些材料細節被認為是所選材料的固定數量;為了獲得不同類型的等離子體,通常必須使用不同的材料,”參與該研究的另一位研究人員Justin Song告訴Phys.org 。“我們想知道是否有辦法解決這個問題。重要的是,如果等離子體的強內部場可以改變材料的電子能帶結構從而改變材料的性質,它也會改變等離子體,建立一個反饋回路使能等離子體可以采取新的行為。“

一旦他們意識到激發材料中的振蕩內部場可以改變其電子特性,Rudner和Song就會在最簡單的設置中展示這一概念。因此,他們決定研究納米級石墨烯盤,因為石墨烯是一種廣泛可用的高質量材料,具有觀察這種效果的有利特性。使用這種設置,他們證明了集體模式的內部場的反饋可能引發系統中自發磁化的不穩定性的條件。

“我們理論上分析了石墨烯盤中的等離子體在線性偏振輻射下如何變形,并發現當光強度較低時,等離子體激元應沿與光偏振相同的方向振蕩,”Song解釋說。“然而,在臨界強度之上,我們的理論分析表明,等離子體激元可以自發地選擇旋轉,獲得原本不存在于金屬盤中的手性,也不會產生照射光。這樣,等離子體獲得了”獨立的生命“ (自發地選擇手性)不同于承載它的材料(金屬盤)以及驅動它的光場(線性偏振輻射)的手性。

在他們的研究中,Rudner和Song表明驅動系統的集體模式有時可以呈現出“自己的生命”,表現出獨立且自發的對稱破缺現象,這些現象獨立于潛在的平衡階段。盡管研究人員說明了這一原理使用納米級石墨烯盤,它也適用于其他材料。

“進行分析時的關鍵觀察是,從材料中的電子的角度來看,電場是一個電場:這個振蕩場是否是由激光照射在材料上產生的并不重要來自外部(如前所述),或者由材料本身內的所有其他電子共同組成,“Rudner說。“這開啟了一個新的可能性世界,其中由材料中的集體激發產生的內部場可能導致各種新現象。”

正如Rudner和Song所解釋的那樣,集體模式的特性,例如等離子體,通常會被“鎖定”在它們的主體材料上。然而有趣的是,他們的觀察證明,等離子體可以抵抗這種“鎖定”到它們的主體材料。換句話說,他們的研究表明,等離子體可以具有與托管它們的基礎材料不同的階段。

Rudner和Song進行的這項研究為材料(特別是非磁性金屬)中的振蕩電場如何改變其某些特性提供了新的有價值的見解。到目前為止,研究人員已經將注意力集中在等離子體的不同階段,但他們現在正計劃研究可能表現出類似對稱性破壞現象的其他集體模式。

“我們希望看到我們的預測在不久的將來在實驗中得到證實,”Rudner說。“在理論層面上,有許多基本問題需要探討我們預測的非平衡自發對稱性破壞的性質,以及對其他物理系統和行為類型的擴展。我們還計劃研究這種可能的應用。現象,例如光電子學。“

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