Физики обнаружили гигантские фононные магнитные моменты, усиленные флуктуациями в антиферромагнетике
Фононы, квазичастицы, связанные со звуками или колебаниями решетки, могут переносить импульс и угловой момент. Однако обычно считается, что эти квазичастицы обладают незначительными магнитными моментами.
Исследователи из Нанкинского университета и Китайской академии наук недавно провели эксперимент по изучению фононных магнитных моментов Fe2Mo3O8 , полярного антиферромагнетика. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, выявило гигантские фононные магнитные моменты, усиленные спиновыми флуктуациями в Fe2Mo3O8.
«Недавние открытия больших фононных магнитных моментов (ФММ) в немагнитных топологических системах вдохновили нас задуматься о магнитных свойствах фононов в спин-упорядоченной системе», — рассказал Ци Чжан, один из ученых, проводивших исследование.
Основная цель недавней работы заключалась в том, чтобы лучше понять взаимодействие между фононами и магнетизмом. Для этого ученые провели серию экспериментов на антиферромагнетике Fe2Mo3O8.
«Большие магнитные моменты фононов обеспечивают прямую связь между вибрациями решетки и всеми видами магнитных процессов, что открывает новые возможности для фононного управления магнитной динамикой, а также новые устройства спиновой информации на основе ФММ», — объяснил Чжан. «Что касается выбора системы материалов, мы ориентируемся на мультиферроик типа Ⅰ Fe2Mo3O8, который демонстрирует чрезвычайно высокий термический коэффициент Холла, что указывает на сильную спин-решеточную связь».
В своих экспериментах Чжан и его коллеги использовали два ключевых метода, а именно магнито-рамановскую спектроскопию и неупругое рассеяние нейтронов. Эти методы позволили им раскрыть фононную природу пары низколежащих возбуждений при 42 см -1 (5,3 мэВ) в монокристаллах Fe2Mo3O8.
«Затем мы получили фононные магнитные моменты (ФММ) этих мод с помощью фононного эффекта Зеемана, а именно путем измерения наклона сдвига фононной частоты в рамановской спектроскопии с поляризационным разрешением в магнитных полях», — сказал Чжан. «Необычное усиление ФММ было обнаружено вблизи границ между антиферромагнитной и парамагнитной фазами».
«Самым поразительным открытием нашего исследования является усиление ферримагнитных флуктуаций ФММ на 600% вблизи магнитного перехода», — говорят ученые. «В принципе, такое усиление флуктуаций могло бы предложить ФММ, которая превосходит магнитный момент электрона или магнонную моду (2 магнетона Бора) и даже расходится с магнитной восприимчивостью».
В конечном итоге исследователи обнаружили шестикратное увеличение магнитного момента фононов в своем образце. В будущем их работа и теоретическая микроскопическая модель, обобщающая их наблюдения, могут проложить путь к новым интересным открытиям о взаимодействии магнетизма и фононов.
«С одной стороны, теперь мы планируем распространить нашу работу на неравновесный режим, например, нас интересует магнитная динамика, управляемая киральными фононами, или даже переходный ферромагнетизм», — добавил Чжан. «С другой стороны, для фонона с большим магнитным моментом мы планируем изучить, как он ведет себя в процессе теплового переноса и может ли в этой системе произойти фононная версия спинового эффекта Холла».