In het afgelopen decennium is talrijke natuurkundige studies hebben onderzocht hoe oscillerende elektrische velden geproduceerd door lasers of microgolfbronnen kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van materialen op aanvraag dynamisch te veranderen. In een nieuwe studie in Natuurfysica , twee onderzoekers van de Universiteit van Kopenhagen en de Nanyang Technological University (NTU), in Singapore, hebben voortgebouwd op de bevindingen van deze onderzoeken, het blootleggen van een mechanisme waardoor een niet-magnetisch interagerend metaal spontaan kan magnetiseren.

"Recente experimenten in nanoplasmonica hebben aangetoond dat wanneer de elektronen in metalen systemen op nanoschaal collectief worden geëxciteerd, ze kunnen, in feite, produceren op zichzelf extreem intense oscillerende elektrische velden, "Mark Rudner, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In het licht van deze observatie, we gingen op zoek naar nieuwe fenomenen die zouden kunnen ontstaan ​​wanneer deze 'interne velden' in een materiaal terugkoppelen om de eigenschappen van het materiaal zelf te veranderen."

De interne velden waarnaar Rudner verwijst, zijn intense oscillerende elektrische velden die afkomstig zijn van ladingsoscillaties in een metaal, bekend als plasmonen. Plasmonen worden vaak gebruikt om licht te beperken tot lengteschalen ver onder de oorspronkelijke golflengte op nanoschaal, en om de verspreiding ervan door apparaten te leiden. Het gedetailleerde gedrag van een plasmon (bijv. de frequentie waarmee het oscilleert, zijn chiraliteit, enz.) is direct afhankelijk van de eigenschappen van een materiaal, zoals de elektronische bandstructuur.

"Typisch, deze materiaalspecificaties worden verondersteld vaste hoeveelheden van het gekozen materiaal te zijn; om een ​​ander type plasmon te krijgen zou men conventioneel een ander materiaal moeten gebruiken, " Justin Song, de andere bij het onderzoek betrokken onderzoeker, vertelde Phys.org. "We vroegen ons af of er een manier was om deze beperking te omzeilen. Belangrijk is dat als de sterke interne velden van een plasmon de elektronische bandstructuur van een materiaal zouden kunnen wijzigen, waardoor de eigenschappen van het materiaal veranderen, het zou ook het plasmon transformeren, het opzetten van een feedbackloop waardoor het plasmon nieuwe soorten gedrag kan aannemen."

Toen ze eenmaal beseften dat oscillerende interne velden in een aangeslagen materiaal de elektronische eigenschappen ervan kunnen veranderen, Rudner en Song wilden dit concept in een zo eenvoudig mogelijke opstelling demonstreren. Ze besloten daarom grafeenschijven op nanoschaal te bestuderen, omdat grafeen een algemeen verkrijgbaar en hoogwaardig materiaal is dat gunstige eigenschappen heeft om dit effect waar te nemen. Met behulp van deze opstelling, ze demonstreerden de omstandigheden waaronder feedback van de interne velden van collectieve modi een instabiliteit in de richting van spontane magnetisatie in het systeem zou kunnen veroorzaken.

"We hebben theoretisch geanalyseerd hoe de plasmonen in een grafeenschijf morphed onder lineair gepolariseerde straling en ontdekten dat wanneer de lichtintensiteit laag was, het plasmon moet in dezelfde richting oscilleren als de lichtpolarisatie, Lied uitgelegd. "Echter, boven een kritische intensiteit, onze theoretische analyse gaf aan dat het plasmon spontaan kan kiezen om te roteren, het verwerven van een handigheid die oorspronkelijk niet aanwezig was in de metalen schijf noch in het uitstralende licht. Op deze manier, de plasmonen krijgen een 'afzonderlijk leven' (spontaan een chiraliteit kiezen) verschillend van zowel dat van het materiaal dat het herbergt (de metalen schijf) als dat van het lichtveld dat het aandrijft (de lineair gepolariseerde bestraling)."

In hun studie hebben Rudner en Song toonden aan dat de collectieve modi van aangedreven systemen soms een 'eigen leven' kunnen gaan leiden, " met unieke en spontane symmetriebrekende verschijnselen die onafhankelijk zijn van de onderliggende evenwichtsfase. Hoewel de onderzoekers dit principe illustreerden met behulp van grafeenschijven op nanoschaal, het geldt ook voor andere materialen.

"De belangrijkste observatie bij het uitvoeren van onze analyse was dat, vanuit het oogpunt van een elektron in een materiaal, een elektrisch veld is een elektrisch veld:het maakt niet uit of dit oscillerende veld werd geproduceerd door een laser die van buitenaf op het materiaal schijnt (zoals eerder onderzocht), of collectief door alle andere elektronen in het materiaal zelf, " zei Rudner. "Dit opent een wereld van nieuwe mogelijkheden waarin interne velden die worden geproduceerd door collectieve excitaties in materialen kunnen leiden tot een verscheidenheid aan nieuwe verschijnselen."

Zoals Rudner en Song uitleggen, de eigenschappen van collectieve modi, zoals plasmonen, zijn over het algemeen 'vergrendeld' aan hun hostmateriaal. interessant, echter, hun waarnemingen bewijzen dat plasmonen deze 'vergrendeling' aan hun gastheermateriaal kunnen trotseren. Met andere woorden, hun studie toont aan dat plasmonen fasen kunnen hebben die verschillen van het onderliggende materiaal waarin ze worden gehost.

Het onderzoek van Rudner en Song biedt nieuw waardevol inzicht in hoe oscillerende elektrische velden in materialen, met name niet-magnetische metalen, sommige van hun eigenschappen kunnen veranderen. Tot dusver, de onderzoekers hebben zich geconcentreerd op de verschillende fasen van plasmonen, maar ze zijn nu van plan om andere collectieve modi te onderzoeken die soortgelijke symmetriebrekende verschijnselen kunnen vertonen.

"We hopen dat onze voorspellingen in de nabije toekomst in experimenten worden bevestigd, " zei Rudner. "Op theoretisch niveau, er zijn veel fundamentele vragen om te onderzoeken over de aard van het niet-evenwicht spontane symmetriebreking die we voorspelden, evenals uitbreidingen op andere fysieke systemen en soorten gedrag. We zijn ook van plan om mogelijke toepassingen van dit fenomeen te onderzoeken, bijvoorbeeld in de opto-elektronica."

© 2019 Wetenschap X Netwerk