來自新加坡南洋理工大學和丹麥哥本哈根尼爾斯玻爾研究所的物理學家，設(shè)計了一種利用激光將非磁性金屬變成磁鐵的方法。磁鐵和磁鐵的磁場通常是由循環(huán)電流產(chǎn)生，就像在日常電磁線圈中發(fā)現(xiàn)的那樣。

這些線圈的“旋向”（無論是順時針還是逆時針）決定了產(chǎn)生磁場的方向?？茖W家們的理論是，當非磁性金屬盤被線性偏振光照射時，這種光不具有自身循環(huán)電流的任何旋向性，因此磁性可以自發(fā)地在盤中出現(xiàn)。

這種方法理論上可以利用激光將有色金屬“按需”變成磁鐵。這項新理論由南大物理與數(shù)學科學學院助理教授賈斯汀·宋和尼爾斯·玻爾研究所副教授馬克·魯?shù)录{共同提出，并發(fā)表在科學期刊《自然物理》上。在闡述這項理論研究時，科學家們發(fā)展了一種新方式來思考光和物質(zhì)之間的相互作用，結(jié)合了紙筆計算和數(shù)值模擬來設(shè)計它。其方案是一個例子，展示了如何利用新穎的強光-物質(zhì)相互作用來“按需”創(chuàng)造材料特性。

利用等離子場

如果能在實驗上實現(xiàn)，這將為石墨烯等一系列高質(zhì)量等離子體材料開辟廣泛的應用前景。許多材料的性質(zhì)通常被認為是固定的，由其原子在納米尺度上的排列決定。例如，材料中的原子結(jié)構(gòu)決定了它是容易導電還是具有絕緣/非導電性能。Song和Rudner想要探索如何利用等離子體（金屬中電荷的局部振蕩）以及它們產(chǎn)生的強振蕩電場來改變材料特性。就像光如何由光子組成一樣，等離子體振蕩也由等離子激元(準粒子的一種)組成。

等離子體激元傾向于振蕩并沿著驅(qū)動它的電場同一方向運動(例如，光場的偏振方向)。然而，科學家發(fā)現(xiàn)，當光線足夠強時，非磁性金屬盤中的等離子體激元可以自發(fā)地以左手性或右手性的方式旋轉(zhuǎn)，即使是在線性偏振光的驅(qū)動下。這是一種跡象，表明這種材料的內(nèi)在特性已經(jīng)發(fā)生了改變，研究發(fā)現(xiàn)，當?shù)入x子體強大的內(nèi)部場改變材料電子能帶結(jié)構(gòu)時，它也會改變等離子體，建立一個反饋回路，使等離子體自發(fā)地表現(xiàn)出手性。

等離子體的這種手性運動產(chǎn)生了一種磁化，這種磁化使研究方案中的非磁性金屬圓盤具有磁性。理論分析中的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，強等離子體振蕩電場可以改變金屬中的電子動力學。魯?shù)录{副教授說：從物質(zhì)內(nèi)部電子的角度來看，電場就是：這個振蕩場是由物質(zhì)內(nèi)部的等離子體激元產(chǎn)生，還是由照射在物質(zhì)上的激光產(chǎn)生的并不重要。Song和Rudner利用這一洞見，從理論上證明了等離子體激元內(nèi)部場的反饋可以觸發(fā)系統(tǒng)中自發(fā)磁化的不穩(wěn)定性。

突現(xiàn)行為

這一理論方法可以在一系列高質(zhì)量的等離子體材料中實現(xiàn)，比如石墨烯。利用光改變材料特性的概念現(xiàn)已引起了科學上的廣泛關(guān)注。然而，許多已發(fā)表的例子灌輸了一種材料在光照射下所具有的特性(例如，通過用圓偏振光照射一種材料，一種材料可能獲得手性或旋向性)或在數(shù)量上增強了該材料中已經(jīng)存在的特性，該研究與這些方法相比，已經(jīng)走得更遠了。本研究發(fā)現(xiàn)等離子體激元可以獲得一種‘獨立的生命’或‘突現(xiàn)’，具有一些新的特性。

這些特性既不存在于承載等離子體激元的金屬中，也不存在于驅(qū)動它的光場中，等離子體行為是突現(xiàn)的，因為它打破了光場和金屬的固有對稱性。當許多粒子相互作用，以集體的方式行動時，就會出現(xiàn)突現(xiàn)行為，即整體大于各部分之和。它負責一系列有用的物質(zhì)相，如通常由溫度控制的鐵磁體和超導體。該團隊的研究將這一想法擴展到等離子體激元，并提出了如何通過光輻照來控制它。從更深層次上講，關(guān)于所預測非平衡自發(fā)對稱性破缺(“突現(xiàn)”)的本質(zhì)，還有許多根本問題有待探索。

博科園｜研究/來自：南洋理工大學

參考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-019-0595-4

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