在過去的十年里，許多物理學(xué)研究探索了如何利用激光或微波源產(chǎn)生振蕩電場(chǎng)來動(dòng)態(tài)地改變材料的性能。在《自然物理》上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，哥本哈根大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)的兩名科學(xué)家以這些研究成果為基礎(chǔ)，揭示了非磁性相互作用金屬自發(fā)磁化的機(jī)制。

納米等離子體實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)納米級(jí)金屬系統(tǒng)中的電子被集體激發(fā)時(shí)，它們實(shí)際上可以獨(dú)自產(chǎn)生極其強(qiáng)烈的振蕩電場(chǎng)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)這些材料內(nèi)部的‘內(nèi)部場(chǎng)’反饋回來改變材料本身的性質(zhì)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)什么新現(xiàn)象。

內(nèi)部場(chǎng)是強(qiáng)振蕩電場(chǎng)，它來自于一種叫做等離子體激元的金屬中的電荷振蕩。等離子體激元通常用于在納米尺度上將光限制在遠(yuǎn)低于其原始波長(zhǎng)的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，并指導(dǎo)其在器件中的傳播。等離子體的詳細(xì)行為(例如它振蕩的頻率、它的手性等)直接取決于材料的性質(zhì)，例如電子帶結(jié)構(gòu)，通常，這些材料細(xì)節(jié)被認(rèn)為是所選材料的固定數(shù)量。要得到一種不同類型的等離子體，傳統(tǒng)上必須使用不同的材料。所以，科學(xué)家們想知道是否有辦法繞過這個(gè)限制。

重要的是，如果電漿子強(qiáng)大的內(nèi)部場(chǎng)，可以改變材料的電子能帶結(jié)構(gòu)，從而改變材料的性質(zhì)，它也會(huì)改變電漿子，建立一個(gè)反饋回路，使電漿子具有新的行為類型。意識(shí)到激發(fā)態(tài)材料內(nèi)部的振蕩場(chǎng)可以改變其電子特性，就著手用最簡(jiǎn)單的設(shè)置來演示這個(gè)概念。因此決定研究納米級(jí)石墨烯圓盤，因?yàn)槭┦且环N廣泛使用的高質(zhì)量材料，具有觀察這種效應(yīng)的良好特性。利用這一設(shè)置，科學(xué)家證明了從內(nèi)部場(chǎng)反饋的集體模式可以觸發(fā)不穩(wěn)定自發(fā)磁化系統(tǒng)條件，從理論上分析了石墨烯片中的等離子體激元。

在線性偏振輻照下的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí)，等離子體激元應(yīng)沿光偏振方向振蕩。然而，在臨界強(qiáng)度以上，理論分析表明，等離子體可以自發(fā)地選擇旋轉(zhuǎn)，獲得一種原本不存在于金屬盤或輻照光中的旋向性。通過這種方式，等離子體激元獲得了一種‘獨(dú)立的生命’(自發(fā)地選擇了一種手性)，它既不同于宿主物質(zhì)(金屬盤)，也不同于驅(qū)動(dòng)它的光場(chǎng)(線性偏振輻照)。在研究表明，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集體模式有時(shí)可以呈現(xiàn)出“它們自己的生命”，表現(xiàn)出獨(dú)特、自發(fā)打破對(duì)稱性的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象獨(dú)立于潛在的平衡階段。

盡管研究人員用納米級(jí)石墨烯片闡明了這一原理，但它也適用于其他材料。進(jìn)行分析時(shí)的關(guān)鍵觀察是，從材料內(nèi)部電子的角度來看，場(chǎng)就是電場(chǎng)“不管這個(gè)振蕩場(chǎng)是由激光從外部照射到材料上(正如之前研究的那樣)產(chǎn)生的，還是由材料內(nèi)部所有其他電子共同產(chǎn)生。這開啟了一個(gè)新可能性的世界，在這個(gè)世界里，由材料集體激勵(lì)產(chǎn)生的內(nèi)部場(chǎng)可能會(huì)導(dǎo)致各種各樣的新現(xiàn)象。集體模式的性質(zhì)，比如等離子體激元，通常都“鎖定”在它們的宿主物質(zhì)上。然而，有趣的是，觀察證明，等離子體激元可以反抗這種對(duì)宿主物質(zhì)的“鎖定”。

研究表明等離子體激元可能具有不同于承載它們底層物質(zhì)的相。這項(xiàng)研究提供了新的有價(jià)值洞見，揭示了材料內(nèi)部，尤其是非磁性金屬內(nèi)部的電場(chǎng)是如何改變某些特性。到目前為止，研究人員專注于等離子體激元的不同階段，但現(xiàn)在正計(jì)劃研究其可能表現(xiàn)出類似對(duì)稱性破壞現(xiàn)象的集體模式?？茖W(xué)家希望在不久的將來，預(yù)測(cè)能在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，在理論層面，有許多基本問題需要探索，關(guān)于預(yù)測(cè)的非平衡自發(fā)對(duì)稱性破壞的本質(zhì)，以及對(duì)其他物理系統(tǒng)和行為類型的擴(kuò)展，還計(jì)劃研究這一現(xiàn)象的可能應(yīng)用，例如在光電子領(lǐng)域。

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參考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-019-0578-5

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