Studie deckt riesige durch Fluktuationen verstärkte phononische magnetische Momente in einem polaren Antiferromagneten auf.

28. Oktober 2023 Feature

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von Ingrid Fadelli , Phys.org

Phononen, quasi-Teilchen, die mit Schall oder Gittervibrationen assoziiert sind, können Impuls und Drehimpuls tragen. Diese quasi-Teilchen werden jedoch in der Regel als vernachlässigbar magnetisch angesehen. 

Forscher der Universität Nanjing und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben kürzlich ein Experiment zur Untersuchung der Phonon-Magnetmomente von Fe2Mo3O8, einem polaren Antiferromagneten, durchgeführt. Ihre Studie, die in Nature Physics vorgestellt wurde, deckte riesige Phonon-Magnetmomente auf, die durch Spinfluktuationen in Fe2Mo3O8 verstärkt wurden.

"Die jüngsten Entdeckungen großer Phonon-Magnetmomente (PMM) in nichtmagnetischen topologischen Systemen haben uns dazu inspiriert, über die magnetischen Eigenschaften von Phononen in einem spin-bestellten System nachzudenken", sagte Qi Zhang, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org.

"Auf den ersten Blick sollten die verschiedenen Arten von Spin-Gitter-Wechselwirkungen große PMM in magnetischen Materialien unterstützen, aber dies wurde bisher nicht identifiziert. Die Rolle von Vielteilchenkorrelationen und -fluktuationen bei der Bildung von PMM war unklar."

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Zhang und seinen Kollegen war es, das Zusammenspiel von Phononen und Magnetismus besser zu verstehen. Dazu führten sie eine Reihe von Experimenten am Antiferromagneten Fe2Mo3O8 durch.

"Die großen magnetischen Momente der Phononen stellen eine direkte Verbindung zwischen der Gitterschwingung und allen Arten von magnetischen Prozessen her, was neue Möglichkeiten für die phononische Kontrolle der magnetischen Dynamik sowie neuartige Spinformationsgeräte auf der Basis von PMM ermöglicht", erklärte Zhang. "Was die Wahl des Materialsystems betrifft, konzentrieren wir uns auf den Typ-Ⅰ-Multiferroik Fe2Mo3O8, der einen bemerkenswert großen thermischen Hall-Koeffizienten aufweist, der auf eine starke Kopplung zwischen Spin und Gitter hinweist."

Bei ihren Experimenten verwendeten Zhang und seine Kollegen zwei Schlüsseltechniken, nämlich die magneto-Raman-Spektroskopie und die inelastische Neutronenstreuung. Mit diesen Techniken konnten sie die phononische Natur eines Paares von niederenergetischen Anregungen bei 42 cm-1 (5,3 meV) in einkristallinem Fe2Mo3O8 aufdecken.

"Wir haben dann die Phonon-Magnetmomente (PMM) dieser Moden über den Phonon-Zeeman-Effekt erhalten, indem wir die Steigung der Phonon-Frequenzverschiebung in polarisationsaufgelöster Raman-Spektroskopie unter magnetischen Feldern gemessen haben", sagte Zhang. "Eine ungewöhnliche PMM-Verstärkung wurde in der Nähe der Grenzen zwischen den antiferromagnetischen und paramagnetischen Phasen gefunden."

Diese jüngste experimentelle Studie war eine gemeinsame Forschungsarbeit des Teams von Prof. Yuan Wan an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des Labors von Prof. Jinsheng Wen an der Universität Nanjing. Die Gruppe von Prof. Wan führte eine Symmetrieanalyse durch, um ein minimales Modell zu skizzieren, das die experimentelle Physik wesentlich untermauerte, während Prof. Wen das Muster synthetisierte und die Neutronenmessungen durchführte.

"Die bemerkenswerteste Erkenntnis dieser Arbeit ist die 600%ige Fluktuationserhöhung des ferrimagnetischen PMM in der Nähe des magnetischen Übergangs", sagte Zhang. "Prinzipiell könnte eine solche Fluktuationserhöhung ein PMM bieten, das das magnetische Moment eines Elektrons oder einer Magnon-Mode (2 Bohrsches Magneton) übersteigt und sogar mit der magnetischen Suszeptibilität divergiert."

Die Forscher konnten letztendlich eine sechsfache Verstärkung des Phonon-Magnetmoments in ihrer Probe feststellen. In Zukunft könnten ihre Arbeit und das theoretische mikroskopische Modell, das ihre Beobachtungen zusammenfasst, den Weg für neue interessante Entdeckungen über das Zusammenspiel zwischen Magnetismus und Phononen ebnen.

"Einerseits planen wir nun, diese Arbeit in den nichtgleichgewichtigen Zustand zu erweitern, zum Beispiel interessieren wir uns für chiral-Phononen-getriebene magnetische Dynamik oder sogar kurzzeitig auftretenden Ferromagnetismus", fügte Zhang hinzu. "Andererseits wollen wir für ein Phonon mit einem großen magnetischen Moment untersuchen, wie es sich in einem thermischen Transportprozess verhält und ob in diesem System ein phononischer Spin-Hall-Effekt auftreten kann."

Zeitschrifteninformationen: Nature Physics

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