原子之舞产生磁铁

量子材料是未来闪电般速度、节能信息系统的关键。挖掘其转化潜力的问题在于，在固体中，大量的原子往往会淹没电子所携带的奇异量子特性。

莱斯大学量子材料科学家朱汉宇实验室的研究人员发现，当原子绕圈运动时，原子也可以创造奇迹：当稀土晶体中的原子晶格因一种称为手性声子的开瓶器状振动而变得活跃时，晶体就会变成磁铁。

根据发表在《科学》杂志上的一项研究，将氟化铈暴露在超快的光脉冲下，使其原子进入舞蹈状态，瞬间吸引电子的自旋，使它们与原子旋转对齐。否则，这种排列将需要强大的磁场来激活，因为氟化铈是天然的顺磁性，即使在零温度下也具有随机取向的自旋。

“每个电子都有一个磁自旋，就像一个嵌入材料中的微小罗盘针，对局部磁场做出反应，”赖斯材料科学家和合著者鲍里斯·雅科布森说。“手性⎯也称为手性，因为左手和右手相互镜像而不不可叠加⎯，不应影响电子自旋的能量。但在这种情况下，原子晶格的手性运动使材料内部的自旋极化，就好像施加了大磁场一样。

虽然是短暂的，但排列自旋的力比光脉冲的持续时间要长得多。由于原子只在特定频率下旋转，并且在较低的温度下移动的时间更长，因此额外的频率和温度相关测量进一步证实了磁化是原子集体手性舞蹈的结果。

“原子运动对电子的影响令人惊讶，因为电子比原子轻得多，速度也快得多，”赖斯大学的威廉·马什·赖斯主席、材料科学和纳米工程助理教授朱说。“电子通常可以立即适应新的原子位置，忘记它们先前的轨迹。如果原子顺时针或逆时针运动，即在时间上向前或向后移动，材料性质将保持不变⎯物理学家称之为时间反转对称性现象。

原子的集体运动打破了时间反转对称性的想法是相对较新的。手性声子现在已经在几种不同的材料中进行了实验证明，但它们究竟如何影响材料性能尚不清楚。

“我们想定量测量手性声子对材料的电学、光学和磁性的影响，”朱说。“因为自旋指的是电子的旋转，而声子描述的是原子的旋转，所以人们天真地期望两者可能会相互交谈。因此，我们决定关注一种叫做自旋-声子耦合的迷人现象。

自旋-声子耦合在实际应用中起着重要作用，例如在硬盘上写入数据。今年早些时候，Zhu的团队展示了单分子层中自旋-声子耦合的新实例，原子线性移动并摇晃自旋。

在他们的新实验中，Zhu和团队成员必须找到一种方法来驱动原子晶格以手性方式移动。这要求他们选择正确的材料，并在合作者的理论计算的帮助下以正确的频率产生光以发送其原子晶格。

“我们的声子频率在大约10太赫兹时没有现成的光源，”应用物理学研究生、该研究的主要作者罗佳明解释说。“我们通过混合强烈的红外光并扭曲电场与手性声子’对话’来产生光脉冲。此外，我们又拍摄了另外两个红外光脉冲来分别监测自旋和原子运动。

除了从研究结果中得出的对自旋-声子耦合的见解外，实验设计和设置将有助于为未来对磁性和量子材料的研究提供信息。

“我们希望定量测量手性声子的磁场可以帮助我们开发实验方案来研究动态材料中的新物理学，”朱说。“我们的目标是通过光或量子涨落等外部场⎯来设计自然界中不存在的材料。”

该研究得到了美国国家科学基金会（2005096,1842494,2240106），韦尔奇基金会（C-2128）和陆军研究办公室（W911NF-16-1-0255）的支持。

同行评议论文：

“稀土卤化物中手性声子的大有效磁场” |科学 |DOI： 10.1126/science.adi9601

作者：Jiaming Luo， Tong Lin， Junjie Zhang， Xiaotong Chen， Elizabeth Blackert， Rui Xu， Boris Yakobson and Hanyu Zhu

http://www.science.org/doi/10.1126/science.adi9601

动画：

https://youtu.be/5pvuq_5SEX4

图片说明：由圆偏振太赫兹光脉冲激发的手性声子在氟化铈中产生超快磁化强度。氟离子（红色、紫红色）通过圆偏振太赫兹光脉冲（黄色螺旋）运动，其中红色表示在手性声子模式下运动最大的离子。铈离子以蓝绿色表示。罗盘指针代表旋转原子引起的磁化强度。（动画由Mario Norton和Jiaming Luo/莱斯大学提供）

图片下载：

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图片说明：由圆偏振太赫兹光脉冲激发的手性声子在氟化铈中产生超快磁化强度。氟离子（红色、紫红色）通过圆偏振太赫兹光脉冲（黄色螺旋）运动，其中红色表示在手性声子模式下运动最大的离子。铈离子以蓝绿色表示。罗盘指针代表旋转原子引起的磁化强度。（图片由Mario Norton和Jiaming Luo/莱斯大学提供）

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图片说明：朱汉宇是莱斯大学威廉·马什·赖斯（William Marsh Rice）主席、材料科学与纳米工程助理教授。（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）

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图片说明：罗佳明是莱斯大学应用物理学专业的研究生，也是该研究的主要作者。（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）

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图片说明：林彤（左起）、朱汉宇和罗佳明在EQUAL实验室。（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）

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图片说明：鲍里斯·雅科布森（Boris Yakobson）是莱斯大学的卡尔·哈塞尔曼（Karl F. Hasselmann）工程学教授，也是材料科学、纳米工程和化学教授。（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）

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这一发现可能导致用于量子传感的太赫兹技术：
https://news.rice.edu/news/2023/discovery-may-lead-terahertz-technology-quantum-sensing

弯曲2D纳米材料可以“开启”未来的技术：
https://news.rice.edu/news/2023/bending-2d-nanomaterial-could-switch-future-technologies#:~:text=%E2%80%9CSo%20instead%20of%20remaining%20flat,means%20you%20have%20an%20actuator。

赖斯大学的朱汉宇获得NSF CAREER奖：
https://msne.rice.edu/news/hanyu-zhu-receives-nsf-career-award

链接：

朱实验室：https://zhugroup.rice.edu/

雅科布森研究小组：https://biygroup.blogs.rice.edu/

材料科学与纳米工程系：msne.rice.edu

George R. Brown School of Engineering：https://engineering.rice.edu

关于大米：

莱斯大学位于休斯顿占地300英亩的森林校园内，一直被《美国新闻与世界报道》评为全美排名前20的大学之一。赖斯拥有备受推崇的建筑学院、商学院、继续教育学院、工程学院、人文学院、音乐学院、自然科学学院和社会科学学院，并且是贝克公共政策研究所的所在地。莱斯大学拥有 4,574 名本科生和 3,982 名研究生，本科生与教师的比例略低于 6 比 1。它的住宿学院系统建立了紧密联系的社区和终生的友谊，这只是赖斯在大量种族/阶级互动方面排名第一、在最佳大学中排名第二和生活质量排名第 12 的原因之一。赖斯大学还被Kiplinger’s Personal Finance评为私立大学中最具价值的大学。