Нейтроны выявляют магнитные сигнатуры хиральных фононов
Китайские физики обнаружили новые доказательства того, что хиральные фононы и магноны могут сильно взаимодействовать внутри магнитных кристаллов. Используя нейтронную спектроскопию, группа учёных под руководством Сун Бао из Нанкинского университета составила карту магнитных сигнатур, связанных с хиральными фононами в ферримагнитном материале, выявив ранее неуловимую связь между колебаниями решетки и магнитными возбуждениями. Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, могут помочь лучше понять, как тепло, звук и спин взаимодействуют в квантовых материалах.
Рис. Картирование фононных спектров с помощью рассеяния нейтронов. Источник: Сонг Бао и др.
Для фононов хиральность возникает, когда ионы движутся по круговой траектории при колебаниях кристаллической решетки, что придает им как угловой момент, так и крошечный магнитный момент, вращающийся в плоскости, перпендикулярной направлению движения фонона. Свойства фонона будут различаться в зависимости от направления вращения — по часовой или против.
Большинство экспериментов до сих пор были сосредоточены на немагнитных материалах с использованием оптических методов, которые не могут в полной мере определить, как энергия и импульс фононов изменяются в пределах материала. Это затрудняет исследование взаимосвязи между хиральными фононами и магнонами — другим типом квазичастиц, представляющих собой коллективные колебания спинов электронов.
В данном исследовании был использован метод "неупругого рассеяния нейтронов": техника, которая позволяет отображать эволюцию возбуждений как по энергии, так и по импульсу. Поскольку нейтроны несут магнитные моменты, но не имеют электрического заряда, их можно использовать для исследования как колебаний решетки, так и магнитного поведения, не подвергаясь сильному воздействию электрических полей в кристалле. Физики направили пучки нейтронов на монокристаллы ферримагнитного соединения Fe₁.₇₅Zn₀.₂₅Mo₃O₈. Измеряя рассеяние нейтронов после взаимодействия с кристаллом, учёным удалось восстановить спектр возбуждений внутри материала при различных температурах и магнитных полях.
В ходе эксперимента четкие магнитные признаки, связанные с фононами, наблюдались ниже температуры Кюри (где материал теряет свои магнитные свойства). Фононные моды демонстрировали усиленное магнитное рассеяние при малых импульсах, что указывает на сильную связь между фононами и магнонами. Важно отметить, что эти признаки исчезали при нагревании материала выше температуры Кюри, подтверждая, что эффекты обусловлены магнитным упорядочением материала.
Полученные результаты дают редкое представление о поведении хиральных фононов в магнитной системе с разрешением по импульсу. Устанавливая прямую связь между колебаниями решетки, спиновыми возбуждениями и магнитным порядком, работа открывает новые возможности для изучения распространения энергии, тепла и спина в квантовых материалах.
