量子材料是未来闪电速度、高能效信息系统的关键。利用它们的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。
莱斯大学量子材料实验室的研究人员、科学家朱汉宇发现，当原子绕圈运动时，它们也能创造奇迹:当稀土晶体中的原子晶格随着一种被称为手性声子的螺旋形振动而变得活跃时，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光脉冲下，会使其原子跳舞，暂时利用电子的自旋，使它们与原子旋转对齐。这种排列需要强大的磁场才能激活，因为氟化铈即使在零度下也是自然顺磁性的，具有随机方向的自旋。
“每个电子都有一个磁自旋，就像嵌入材料中的微小指南针，对局部磁场做出反应，”莱斯大学材料科学家和合著者鲍里斯·雅各布森说。手性——也被称为手性，因为左手和右手相互镜像而不重叠——不应该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，就像施加了一个大磁场一样。”
虽然时间很短，但使自旋对齐的力比光脉冲的持续时间长得多。由于原子只在特定的频率下旋转，并且在较低的温度下运动更长的时间，额外的频率和温度相关的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是令人惊讶的，因为电子比原子轻得多，也快得多，”莱斯大学威廉·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，也就是说，在时间中向前或向后运动——物理学家称之为时间反转对称性的现象——材料的性质将保持不变。”
原子的集体运动打破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一些不同的材料中得到了实验证明，但它们究竟是如何影响材料性质的还不是很清楚。
“我们想定量测量手性声子对材料电学、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，所以人们天真地认为这两者可能会相互交流。所以我们决定专注于一种叫做自旋声子耦合的迷人现象。”
自旋声子耦合在诸如向硬盘上写入数据之类的实际应用中起着重要作用。今年早些时候，Zhu的团队展示了单分子层中自旋-声子耦合的一个新实例，其中原子线性移动并振动自旋。
在他们的新实验中，朱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。这既需要他们选择合适的材料，也需要他们在合作者的理论计算的帮助下，以合适的频率产生光，使其原子晶格旋转。
“我们的声子频率在10太赫兹左右，没有现成的光源，”应用物理学研究生、该研究的第一作者罗家明解释说。“我们通过混合强红外线和扭曲电场来与手性声子‘对话’来创造光脉冲。此外，我们还采取了另外两个红外光脉冲来分别监测自旋和原子运动。”
除了从研究结果中获得对自旋声子耦合的见解外，实验设计和设置将有助于为磁性和量子材料的未来研究提供信息。
“我们希望定量测量手性声子的磁场可以帮助我们制定实验方案来研究动态材料中的新物理，”朱说。“我们的目标是通过外场来设计自然界中不存在的材料。比如光或量子涨落。”
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。
