科学家们发现不寻常的超快的运动在分层的磁性材料

一种常见的金属回形针将坚持一个磁铁。科学家将铁磁体等含铁材料。一个多世纪前,物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和德哈斯漫步报道一个令人惊讶的效果与铁磁物质。如果你暂停一个铁缸线和暴露一个磁场,它将开始如果你只是反向旋转磁场的方向。

“爱因斯坦和德哈斯的实验几乎是像一个魔术表演,“海达族人的温说,物理学家在材料科学和x射线科学部门美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室。“你可以导致汽缸旋转不沾。”

在自然杂志,一个研究小组从阿贡和其他美国国家实验室和大学现在报告一个相似但不同的效果在一个“反铁磁物质”。这可能有重要的应用程序在设备要求超精密和超快的运动控制。一个例子是高速马达的生物医学应用程序,使用纳米机器人等微创诊断和手术。

铁磁物质的区别和反铁磁性物质与属性称为电子自旋。这个旋转的方向。科学家代表一个箭头的方向,可以向上或向下点或任何方向。在磁化铁磁物质上面所提到的,与所有相关的箭头铁原子中的电子可以指向同一个方向,说。反向磁场逆转电子自旋的方向。所以,所有的箭头都指向下面。这种逆转导致汽缸的旋转。

”在这个实验中,一个微小的财产,电子自旋,是利用引起的机械反应缸,宏观物体,”阿尔弗雷德宗庆后说,米勒研究员的加州大学伯克利分校。

在反铁磁性物质,而不是电子的自旋指向上,例如,他们交替上下相邻电子。这些相反的自旋相互抵消,因此反铁磁性物质不响应的变化磁场和铁磁物质一样。

“我们问自己的问题是,电子自旋引起响应的反铁磁性物质是不同的,但类似的精神,从爱因斯坦德-哈斯的圆筒旋转实验吗?”温家宝说。

要回答这个问题,团队准备样品的铁磷三硫化物(聚全氟乙丙烯₃),一个反铁磁性物质。示例包括多层聚全氟乙丙烯₃,每一层只有几个原子厚。

“与传统的磁铁,聚全氟乙丙烯₃很特别,因为它是形成一个分层结构,在这层之间的相互作用非常弱,“小东徐说,物理学和材料科学教授华盛顿大学。

“我们设计一组确定的实验中我们拍摄超快激光脉冲在这层材料和测量结果与光学材料特性的变化,x射线和电子脉冲,”温家宝说。

研究小组发现,脉冲变化材料的磁性,急忙下令电子自旋的取向。电子自旋的箭不再以有序的方式上下之间的交替,但无序。

“这匆忙电子自旋导致机械响应在整个样本。因为层之间的相互作用很弱,一层的样本能够来回滑动对相邻层,”解释了Nuh Gedik,麻省理工学院的物理学教授(麻省理工学院)。

这个运动是超快的,10到100秒/振荡。1皮秒等于1000000000000秒。这是如此之快,在一个微微秒,光只有一毫米的三分之一。

测量样品与原子尺度上的空间分辨率和时间分辨率测量在皮秒需要世界级的科学设施。为此,球队依靠尖端使用电子和超速探测x射线原子结构的分析。

出于光学测量华盛顿大学,最初的研究采用mega-electronvolt超快电子衍射设施在SLAC国家加速器实验室。进一步的研究进行了一个超快电子衍射设置在麻省理工学院。这些结果辅以超快电子显微镜设备工作在中心的纳米材料(CNM)和11-BM 7-ID beamlines先进光子源(APS)。CNM和APS阿尔贡能源部科学办公室用户设施。

分层中的电子自旋反铁磁性物质比皮秒长时候也有影响。在一个早期的研究利用APS和CNM设施、团队成员发现附近层急剧下降的波动运动转变为电子自旋从无序到有序的行为。

“我们当前研究的关键发现是找到一个电子自旋和原子运动之间的联系,是特殊的分层结构反铁磁性物质,”宗庆后说。”,因为这种联系表现在如此短的时间长度和小的范围内,我们设想,能够控制这种运动或通过改变磁场,或者,通过应用一个小应变将为纳米级设备具有重要意义。”

这项工作主要是由美国能源部基本能源科学办公室。

参考:宗庆后,张问,周F, et al . Spin-mediated剪切振荡器范德瓦耳斯反铁磁性物质。自然。2023年。doi:10.1038 / s41586 - 023 - 06279 - y

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