Lo studio rivela enormi momenti magnetici di fononi migliorati da fluttuazioni in un antiferromagnete polare.

28 ottobre 2023 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

I fononi, quasi-particelle associate ai suoni o alle vibrazioni reticolari, possono trasportare momento e momento angolare. Tuttavia, queste quasi-particelle sono comunemente considerate avere momenti magnetici trascurabili.

Ricercatori della Nanjing University e dell'Accademia cinese delle scienze hanno recentemente condotto un esperimento per indagare i momenti magnetici dei fononi di Fe2Mo3O8, un antiferromagnete polare. Il loro studio, pubblicato su Nature Physics, ha scoperto i giganteschi momenti magnetici dei fononi potenziati dalle fluttuazioni di spin in Fe2Mo3O8.

«Le recenti scoperte di grandi momenti magnetici dei fononi (PMM) in sistemi topologici non magnetici ci hanno ispirato a pensare alle proprietà magnetiche dei fononi in un sistema con ordine di spin», ha detto Qi Zhang, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Phys.org.

«A prima vista, i vari tipi di interazione spin-reticolo dovrebbero supportare grandi PMM nei materiali magnetici, tuttavia non è ancora stato identificato prima di questo lavoro. Il ruolo delle correlazioni e delle fluttuazioni di molti corpi nella formazione di PMM era poco chiaro».

L'obiettivo principale del recente lavoro di Zhang e dei suoi colleghi era comprendere meglio l'interazione tra fononi e magnetismo. Per fare ciò, hanno condotto una serie di esperimenti sull'antiferromagnete Fe2Mo3O8.

«I grandi momenti magnetici dei fononi forniscono un collegamento diretto tra la vibrazione del reticolo e tutti i tipi di processi magnetici, permettendo nuove opportunità per il controllo fononico della dinamica magnetica e nuovi dispositivi di informazione di spin basati su PMM», ha spiegato Zhang. «Per quanto riguarda la scelta del sistema di materiale, ci concentriamo sul multiferroico di tipo I Fe2Mo3O8, che mostra un coefficiente Hall termico notevolmente grande, indicativo di un forte accoppiamento spin-reticolo».

Nel corso dei loro esperimenti, Zhang e i suoi colleghi hanno utilizzato due tecniche chiave, ovvero lo spettroscopio magneto-Raman e la diffusione neutronica inelastica. Queste tecniche hanno permesso loro di scoprire la natura fononica di una coppia di eccitazioni di bassa energia a 42 cm-1 (5,3 meV) nei cristalli singoli di Fe2Mo3O8.

«Abbiamo quindi ottenuto i momenti magnetici dei fononi (PMM) di queste modalità attraverso l'effetto Zeeman dei fononi, ovvero misurando la pendenza della variazione di frequenza dei fononi nella spettroscopia Raman risolta in polarizzazione sotto campi magnetici», ha detto Zhang. «È stata trovata un'insolita potenziamento di PMM vicino ai confini tra le fasi antiferromagnetiche e paramagnetiche».

Questo recente studio sperimentale è stato un sforzo di ricerca congiunto che ha coinvolto il team del Prof. Yuan Wan dell'Accademia cinese delle scienze e il laboratorio del Prof. Jinsheng Wen presso la Nanjing University. Il gruppo del Prof. Wan ha condotto un'analisi di simmetria per delineare un modello minimo che catturasse la fisica essenziale sottostante l'esperimento, mentre il Prof. Wen ha sintetizzato il campione e raccolto le misurazioni neutroniche.

«La scoperta più sorprendente di questo articolo è il potenziamento del 600% delle fluttuazioni ferrimagnetiche di PMM vicino alla transizione magnetica», ha detto Zhang. «In teoria, tale potenziamento delle fluttuazioni potrebbe offrire un PMM superiore al momento magnetico di un elettrone o di una modalità magnone (2 magnetoni di Bohr) e persino divergere con la suscettibilità magnetica».

I ricercatori hanno alla fine rilevato un potenziamento di sei volte del momento magnetico dei fononi nel loro campione. In futuro, il loro lavoro e il modello microscopico teorico che riassume le loro osservazioni potrebbero aprire la strada a nuove interessanti scoperte sull'interazione tra magnetismo e fononi.

«Da un lato, pianifichiamo di estendere questo lavoro al regime non equilibrio, ad esempio, siamo interessati alla dinamica magnetica guidata dai fononi chirali o persino al ferromagnetismo transitorio», ha aggiunto Zhang. «D'altra parte, per un fonone con un grande momento magnetico, pianifichiamo di esplorare come si comporta in un processo di trasporto termico e se può verificarsi una versione fononica dell'effetto Hall di spin in questo sistema».

Informazioni sulla rivista: Nature Physics

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