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非磁性相互作用金属中的自发磁化

?在过去的十年中,许多物理学研究探索了激光或微波源产生的振荡电场如何用于动态改变材料的性质。在自然物理学的一项新研究中,哥本哈根大学和南洋理工大学(NTU)的两位研究人员在新加坡的研究成果的基础上,揭示了一种非磁性相互作用金属可以自发磁化的机制。

“最近在纳米等离子体中的实验表明,当纳米级金属系统中的电子被共同激发时,它们实际上可以产生极其强烈的振荡电场,”研究人员之一Mark Rudner进行了这项研究,告诉Phys.org。“根据这一观察结果,我们着手揭示当材料中的这些'内部区域'反馈以改变材料本身的特性时可能出现的新现象。”

Rudner所指的内部场是强烈的振荡电场,源自金属中的电荷振荡,称为等离子体。等离子体通常用于将光限制在远低于其原始波长的纳米尺度的长度尺度,以及引导其通过器件传播。等离子体激元的详细行为(例如,它振荡的频率,其手性等)直接取决于材料的性质,例如其电子带结构。

“通常情况下,这些材料细节被认为是所选材料的固定数量;为了获得不同类型的等离子体,通常必须使用不同的材料,”参与该研究的另一位研究人员Justin Song告诉Phys.org 。“我们想知道是否有办法解决这个问题。重要的是,如果等离子体的强内部场可以改变材料的电子能带结构从而改变材料的性质,它也会改变等离子体,建立一个反馈回路使能等离子体可以采取新的行为。“

一旦他们意识到激发材料中的振荡内部场可以改变其电子特性,Rudner和Song就会在最简单的设置中展示这一概念。因此,他们决定研究纳米级石墨烯盘,因为石墨烯是一种广泛可用的高质量材料,具有观察这种效果的有利特性。使用这种设置,他们证明了集体模式的内部场的反馈可能引发系统中自发磁化的不稳定性的条件。

“我们理论上分析了石墨烯盘中的等离子体在线性偏振辐射下如何变形,并发现当光强度较低时,等离子体激元应沿与光偏振相同的方向振荡,”Song解释说。“然而,在临界强度之上,我们的理论分析表明,等离子体激元可以自发地选择旋转,获得原本不存在于金属盘中的手性,也不会产生照射光。这样,等离子体获得了”独立的生命“ (自发地选择手性)不同于承载它的材料(金属盘)以及驱动它的光场(线性偏振辐射)的手性。

在他们的研究中,Rudner和Song表明驱动系统的集体模式有时可以呈现出“自己的生命”,表现出独立且自发的对称破缺现象,这些现象独立于潜在的平衡阶段。尽管研究人员说明了这一原理使用纳米级石墨烯盘,它也适用于其他材料。

“进行分析时的关键观察是,从材料中的电子的角度来看,电场是一个电场:这个振荡场是否是由激光照射在材料上产生的并不重要来自外部(如前所述),或者由材料本身内的所有其他电子共同组成,“Rudner说。“这开启了一个新的可能性世界,其中由材料中的集体激发产生的内部场可能导致各种新现象。”

正如Rudner和Song所解释的那样,集体模式的特性,例如等离子体,通常会被“锁定”在它们的主体材料上。然而有趣的是,他们的观察证明,等离子体可以抵抗这种“锁定”到它们的主体材料。换句话说,他们的研究表明,等离子体可以具有与托管它们的基础材料不同的阶段。

Rudner和Song进行的这项研究为材料(特别是非磁性金属)中的振荡电场如何改变其某些特性提供了新的有价值的见解。到目前为止,研究人员已经将注意力集中在等离子体的不同阶段,但他们现在正计划研究可能表现出类似对称性破坏现象的其他集体模式。

“我们希望看到我们的预测在不久的将来在实验中得到证实,”Rudner说。“在理论层面上,有许多基本问题需要探讨我们预测的非平衡自发对称性破坏的性质,以及对其他物理系统和行为类型的扩展。我们还计划研究这种可能的应用。现象,例如光电子学。“

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