Это исследование могло бы стать важным прорывом в решении физической проблемы столетней давности и углубить наши знания об интересном классе материалов, называемых мультиферроиками. Полную теоретическую модель и экспериментальные наблюдения можно прочитать на сайте Nature Communications.Хотя мы обычно думаем о твердых телах как о статических объектах, их молекулы на самом деле находятся в постоянном состоянии вибрации.
Эти небольшие колебания частично обусловлены фононами и магнонами, которые представляют собой коллективные возбуждения и возмущения внутри кристалла. Коллективные означает, что они не ограничиваются одним атомом, а влияют на группу соседних атомов. Фононы — это однородные колебания одной частоты. Например, коротковолновые фононы играют роль в теплопроводности, в то время как длинноволновые фононы порождают звук, который является источником слова («фонос» означает голос по-гречески).
Магноны — это коллективные возмущения спинов электронов, компасов атомов. Они влияют на магнитные характеристики материалов. Этот отчет впервые показывает, что пара и, как следствие, их вибрационное поведение не является постоянным во времени.
Ученые IBS измерили атомное и молекулярное движение кристаллов (Y, Lu) MnO3 с помощью экспериментов по неупругому рассеянию нейтронов, а также разработали новую теоретическую модель, чтобы объяснить то, что они наблюдали экспериментально. Интересно, что им пришлось выйти за рамки стандартной линейной теории, которая обычно используется для интерпретации измерений. Стандартная линейная теория спиновых волн предполагает, что колебания магнонов и фононов гармоничны и стабильны во времени, как колебания пружины без трения. «Изначально мы использовали простейшую модель, которая представляет собой теорию линейных спиновых волн без связи, но мы поняли, что это похоже на классический случай помещения слона в холодильник: вы можете как-то это сделать, но числа становятся нереальными и что-то не так », — объясняет профессор Пак Дже-Гын. «Затем мы снова выполнили вычисления, на этот раз включая связь, и мы обнаружили, что можем объяснить данные, и, что наиболее важно, окончательный анализ дал нам цифры, которые имеют смысл».
В то время как стандартная линейная теория спиновых волн утверждает, что магноны и фононы колеблются вечно и не влияют друг на друга, взаимодействие сделает фононы и магноны нестабильными и допустит запрещенный в противном случае распад. Например, когда фонон становится нестабильным в результате взаимодействия с магноном, он уменьшает его колебания, распадается и превращает его в магнон.
«Идея магнон-фононной связи уже существует как возможное объяснение уникально низкого коэффициента теплового расширения инварных материалов. Эти промышленно важные материалы имеют широкий спектр применения — от швейцарских часов до высокоскоростных поездов, но почему? «Эти материалы демонстрируют такое противоречивое интуитивное поведение, которое было загадкой на протяжении многих десятилетий», — описывает профессор.Хотя раньше связь наблюдалась редко, это первый раз, когда она была определена количественно в кристалле манганита: «Это слабая связь и присутствует только в некоторых материалах, потому что для нее нужна особая треугольная атомная архитектура. Это также противоречит общепринятой практике.
Вера в то, что магноны и фононы стабильны во времени. Это могло бы объяснить, почему связь никогда не подвергалась тщательному анализу раньше и почему большинство ученых ее игнорировали ", — комментирует профессор.
В будущем команда хотела бы изучить эту связь в других материалах и в идеале продемонстрировать, что можно искусственно преобразовать фононы в магноны и наоборот.