Опасные связи: фонон и магнон незаконно спариваются, превращаясь друг в друга
Фононы в алмазе
Группа исследователей из корейского Института фундаментальных наук в Сеуле заявила об открытии, которое, возможно, перевернет существующие в физике твердого тела представления о взаимодействии двух форм так называемых квазичастиц — имеются в виду фононы и магноны.
Ученые не только пронаблюдали их спаривание, что сегодняшними моделями запрещено, но также разработали новую теоретическую модель подобного спаривания. Эта модель и приведшие к ней экспериментальные наблюдения обсуждаются в статье, опубликованной в последнем номере журнала Nature Communications.
В природе существует много квазичастиц, и одновременно с этим их нет вообще: они подобны мнимой единице, корню из отрицательного числа, который прочно укоренился в математике. Квазичастицы представляют собой колебания материи, распространяющиеся по веществу и ведущие себя так, как будто вместо них по этому веществу летит реальная частица.
Для кристаллической решетки твердого тела одними из наиболее важных квазичастиц считаются фононы и магноны. Фононы — это колебания атомов или молекул, находящихся в узлах кристаллической решетки, которые волнообразно по этой решетке распространяются. Магноны же представляют собой коллективное возбуждение спинов электронов, волну, которая также распространяется вдоль решетки. Они являются своеобразными компасами вещества и определяют их магнитные характеристики. Согласно существующей спин-волновой теории, колебания, называемые магнонами и фононами, стабильны и не влияют друг на друга. Их спаривание, по этой теории, делает фононы и магноны нестабильными и приводит к их уничтожению, что теория запрещает. Если же допустить такое спаривание, то получится, например, что став нестабильным, фонон исчезает и превращается в магнон.
Корейские физики пришли к своему неожиданному открытию, изучая движения атомов и молекул в кристаллах марганцевого соединения с формулой (Y,Lu)MnO₃. Исследование проводилось стандартным для таких экспериментов методом неупругого рассеяния нейтронов: исследуемый кристалл облучается пучком нейтронов, а те, в свою очередь, проходя сквозь кристалл, соударяются с атомами решетки и обмениваются с ними энергией. Таким образом, выходя из кристалла, они несут в себе информацию о движении этих атомов.
«Первоначально мы пытались интерпретировать результаты своих измерений в рамках простейшей теории, запрещающей спаривание фононов и магнонов, но довольно быстро поняли, что втиснуть наши результаты в эту теорию — все равно что втиснуть слона в холодильник. То есть в принципе это возможно, но выглядит очень нереалистично. Тогда мы произвели расчеты вновь, только теперь уже учитывая возможное спаривание фононов и магнонов, и обнаружили, что в этом случае наши данные получили хорошее объяснение», — рассказал руководитель исследования профессор Пак Джэ-Кын.
По словам профессора, идея о фонон-магнонном спаривании витала в умах ученых многие десятилетия, поскольку могла объяснить аномально низкий коэффициент теплового расширения некоторых материалов, например инвара (железо-никелевый сплав). Открытие корейских ученых и разработанная ими теория позволяют сделать вывод о том, что в некоторых случаях и в некоторых материалах незначительное фонон-магнонное спаривание со взаимным превращением друг в друга все-таки возможно, только для этого требуется особая архитектура кристаллической решетки.
Корейская команда планирует пронаблюдать обнаруженное ею спаривание в других материалах и в идеале продемонстрировать искусственное превращение фононов в магноны и магнонов в фононы.