物理学家们提出，光可能会使非磁性金属磁化

南洋理工大学

图1:等离子体圆盘对称破坏机理的简单示意图。资料来源:南洋理工大学

来自新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)和丹麦哥本哈根尼尔斯玻尔研究所(Niels Bohr Institute)的物理学家设计了一种利用激光将非磁性金属变成磁铁的方法。

磁铁和它们的磁场通常是由循环电流产生的，就像在日常的电磁线圈中发现的那样。这些线圈的“旋向”——无论是顺时针还是逆时针——决定了产生磁场的方向。

科学家们的理论是，当非磁性金属盘被线性偏振光照射时，这种光不具有自身循环电流的任何旋向性，因此磁性可以自发地在盘中出现。

这种方法原则上可以利用激光将有色金属“按需”变成磁铁。

这项新理论由南大物理与数学科学学院助理教授贾斯汀·宋和尼尔斯·玻尔研究所副教授马克·鲁德纳共同提出，并于本月初发表在科学期刊《自然物理》上。

在阐述他们的建议时，科学家们发展了一种新的方式来思考光和物质之间的相互作用。他们结合了纸笔计算和数值模拟来设计它。

助理教授宋教授说，他们的方案是一个例子，展示了如何利用新颖的强光-物质相互作用来“按需”创造材料特性。如果能在实验上实现，这将为石墨烯等一系列高质量等离子体材料开辟广泛的应用前景。利用电浆领域

许多材料的性质通常被认为是固定的，由其原子在纳米尺度上的排列决定。例如，材料中的原子结构决定了它是容易导电还是具有绝缘/非导电性能。

Song和Rudner想要探索如何利用等离子体——金属中电荷的局部振荡——以及它们产生的强振荡电场来改变材料的特性。

就像光如何由光子组成一样，等离子体振荡也由等离子激元(准粒子的一种)组成。等离子体激元倾向于振荡并沿着驱动它的电场的同一方向运动(例如，光场的偏振方向)。

然而，科学家们发现，当光线足够强时，非磁性金属盘中的等离子体激元可以自发地以左手或右手的方式旋转，即使是在线性偏振光的驱动下。

“这是一种迹象，表明这种材料的内在特性已经发生了改变，”助理教授宋说。“我们发现，当等离子体强大的内部场改变材料的电子能带结构时，它也会改变等离子体，建立一个反馈回路，使等离子体自发地表现出手性。”

等离子体的这种手性运动产生了一种磁化，这种磁化使他们方案中的非磁性金属圆盘具有磁性。

科学家们说，他们理论分析中的关键发现是，强等离子体振荡电场可以改变金属中的电子动力学。

鲁德纳副教授说:“从物质内部电子的角度来看，电场就是电场:这个振荡场是由物质内部的等离子体激元产生的，还是由照射在物质上的激光产生的并不重要。”

Song和Rudner利用这一洞见，从理论上证明了等离子体激元内部场的反馈可以触发系统中自发磁化的不稳定性。研究小组希望这一理论方法可以在一系列高质量的等离子体材料中实现，比如石墨烯。涌现行为

利用光改变材料特性的概念最近引起了科学上的广泛关注。然而，许多已发表的例子灌输了一种材料在光照射下所具有的特性(例如，通过用圆偏振光照射一种材料，一种材料可能获得手性或旋向性)或在数量上增强了该材料中已经存在的特性。

宋和鲁德纳的研究，与这些方法相比，已经走得更远，他们说。

“我们发现等离子体激元可以获得一种‘独立的生命’或‘涌现’，具有一些新的特性，这些特性既不存在于承载等离子体激元的金属中，也不存在于驱动它的光场中，”助理教授宋补充说。等离子体的行为是突现的，因为它打破了光场和金属的固有对称性。

当许多粒子相互作用，以集体的方式行动时，就会出现涌现行为，即整体大于各部分之和。它负责一系列有用的物质相，如通常由温度控制的铁磁体和超导体。该团队的研究将这一想法扩展到等离子体激元，并提出了如何通过光辐照来控制它。

鲁德纳副教授说:“从更深层次上讲，关于我们所预测的非平衡自发对称性破缺(“涌现”)的本质，还有许多根本问题有待探索。”

新加坡国家研究基金会(NRF)助理教授宋教授对此表示赞同，他说:“也许我们工作中最有意义的信息是，它表明集体模式可以展示出不同的新阶段。如果电浆子磁性是可能的，那么还有什么其他相的集体模式等待被发现呢?”