적층 자성 물질에서 특이한 초고속 운동 발견

이 발견은 아인슈타인과 드 하스의 실험에서 영감을 얻었습니다.

자성 물질은 어떻게 미세한 스핀 구성이 거시적 길이 규모에서 특이한 특성을 가져오는지에 대한 연구의 주제였습니다. 그러한 예 중 하나는 강자성체의 아인슈타인-드 하스 효과(Einstein-de Haas effect)로, 스핀의 각운동량을 전체 항목의 기계적 회전으로 전달할 수 있습니다. 그러나 순 자기 모멘트 없이 반강자성체의 거시적 움직임에 스핀 순서가 어떻게 결합되는지는 여전히 불분명합니다.

새로운 연구에서 아르곤(Argonne)과 기타 미국 국립 연구소 및 대학의 연구팀은 이제 "반" 강자성체에서 유사하면서도 다른 효과를 보고했습니다. 이 실험에서 연구자들은 거시적 물체인 원통에서 기계적 반응을 이끌어내기 위해 전자 스핀을 이용했습니다.

예를 들어, 반강자성체에서 전자 스핀은 항상 위쪽을 향하기보다는 인접한 전자 사이에서 위쪽에서 아래쪽으로 번갈아 가며 회전합니다. 반강자성체는 반대 스핀이 서로 상쇄되기 때문에 강자성체와 같은 자기장의 변화에 ​​반응하지 않습니다.

미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소의 재료 과학 및 X-선 과학 부서의 물리학자인 Haidan Wen은 다음과 같이 말했습니다. 하지만 Einstein-de Hass 실험의 실린더 회전과 정신이 유사합니까?”

연구자들은 그 질문에 대한 답을 제공하기 위해 반강자성 삼황화철인(FePS3) 샘플을 만들었습니다. 여러 FePS3 층으로 구성된 샘플의 각 층은 두께가 원자 몇 개에 불과했습니다. FePS3는 층간 상호작용이 매우 약한 층상 구조로 생성된다는 점에서 기존 자석의 독특한 특징입니다.

Wen은 "우리는 이 적층 재료에 초고속 레이저 펄스를 발사하고 광학, X선 및 전자 펄스를 사용하여 재료 특성의 결과 변화를 측정하는 일련의 확증 실험을 설계했습니다."라고 말했습니다.

연구진은 펄스가 전자 스핀의 정렬된 방향을 뒤섞어 물질의 자기 특성을 변경한다는 것을 발견했습니다. 체계적인 방식으로 위아래를 번갈아 가며 사용하는 대신 전자 스핀에 대한 화살표가 이제 무질서해졌습니다.

MIT(매사추세츠 공과대학) 물리학과 Nuh Gedik 교수는 “전자 스핀의 이러한 뒤섞임은 전체 샘플에 걸쳐 기계적 반응으로 이어진다. 층 사이의 상호 작용이 약하기 때문에 샘플의 한 층이 인접한 층에 대해 앞뒤로 미끄러질 수 있습니다."

이 운동의 진동 시간은 10~100피코초로 매우 짧습니다. 피코초의 정의는 1조분의 1초입니다. 빛은 이것이 얼마나 빨리 일어나는지 때문에 1피코초에 1/3밀리미터만 움직입니다.

원자 규모의 공간 해상도와 피코초 규모의 시간 해상도로 샘플을 측정하려면 세계적 수준의 과학 시설이 필요합니다. 과학자들은 이를 달성하기 위해 전자와 X선 빔을 사용하여 원자 구조를 분석하는 최첨단 초고속 프로브를 사용했습니다.

초기 실험은 SLAC 국립 가속기 연구소의 메가 전자 볼트 초고속 전자 회절 장비를 사용했으며 워싱턴 대학의 광학 측정에서 영감을 받았습니다. MIT의 초고속 전자 회절 설정에서 추가 연구가 수행되었습니다. APS(Advanced Photon Source)의 11-BM 및 7-ID 빔라인 작업과 CNM(Centre for Nanoscale Materials)의 초고속 전자 현미경 시설에서 이러한 발견이 추가되었습니다. Argonne의 CNM 및 APS는 DOE Office of Science 사용자 시설입니다.

다층 반강자성체는 또한 피코초보다 긴 지속 시간 동안 전자 스핀의 영향을 받습니다. 연구팀은 APS 및 CNM 장비를 사용한 초기 작업에서 전자 스핀이 무질서한 동작에서 규칙적인 동작으로 전환되는 지점 주변에서 층의 변동하는 동작이 크게 느려지는 것을 발견했습니다.