Erstmals wirklich chirale Phononen in dreidimensionalen Materialien beobachtet

Chiralität ist das Brechen von Reflexions- und Inversionssymmetrien. Einfach ausgedrückt, wenn sich die Spiegelbilder eines Objekts nicht überlagern lassen. Ein gängiges Beispiel sind Ihre beiden Hände – obwohl sie Spiegelbilder voneinander sind, können sie sich niemals überlappen. Chiralität tritt auf allen Ebenen in der Natur auf und ist allgegenwärtig.

Zusätzlich zu statischer Chiralität kann Chiralität auch aufgrund dynamischer Bewegung, einschließlich Rotation, auftreten. Vor diesem Hintergrund können wir wahre und falsche Chiralität unterscheiden. Ein System ist wirklich chiral, wenn – beim Übersetzen – die Rauminversion nicht gleichbedeutend ist mit einer Zeitumkehr kombiniert mit einer richtigen räumlichen Rotation.

Phononen sind Quanten (oder kleine Pakete) von Energie, die mit der Schwingung von Atomen in einem Kristallgitter verbunden sind. Kürzlich wurden Phononen mit chiralen Eigenschaften theoretisiert und experimentell in zweidimensionalen (2D) Materialien wie Wolframdiselenid entdeckt. Die entdeckten chiralen Phononen drehen Atombewegungen, breiten sich aber nicht aus. Aber wirklich chirale Phononen wären Atombewegungen, die sowohl rotieren als auch sich ausbreiten, und diese wurden noch nie in dreidimensionalen (3D) Massensystemen beobachtet.

Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) sowohl theoretisch als auch experimentell wirklich chirale Phononen identifiziert. Ihre Arbeit ist veröffentlicht in Naturphysik. Das Team unter der Leitung von Professor Takuya Satoh vom Institut für Physik der Tokyo Tech beobachtete die chiralen Phononen in Zinnober (α-HgS). Dies wurde durch eine Kombination aus First-Principle-Berechnungen und einer experimentellen Technik namens zirkular polarisierte Raman-Streuung erreicht.

„Chirale Strukturen können mit chiralen Techniken untersucht werden. Daher ist die Verwendung von zirkular polarisiertem Licht, das seine eigene Händigkeit (dh Rechts- oder Linkshändigkeit) hat, entscheidend. Dynamische chirale Strukturen können mit Pseudo-Winkelimpuls (PAM) abgebildet werden ). Pseudoimpuls und PAM stammen aus den Phasenfaktoren, die durch diskrete Translations- bzw. Rotationssymmetrieoperationen gewonnen werden“, erklärt Professor Satoh.

Der neuartige experimentelle Ansatz ermöglichte es den Forschern auch, die grundlegenden Eigenschaften von PAM zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass das Gesetz der Erhaltung von PAM – eines der Schlüsselgesetze der Physik – zwischen zirkular polarisierten Photonen und chiralen Phononen gilt.

„Unsere Arbeit bietet auch eine optische Methode, um die Händigkeit von chiralen Materialien mit PAM zu identifizieren. Wir können nämlich die Händigkeit von Materialien mit einer besseren Auflösung bestimmen, als dies mit Röntgenbeugung (XRD) möglich ist. Darüber hinaus erfordert XRD einen ausreichend großen Kristall , ist invasiv und kann destruktiv sein. Die zirkular polarisierte Raman-Streuung hingegen ermöglichte es uns, die Chiralität von Strukturen zu bestimmen, die XRD nicht berührungslos und zerstörungsfrei erreichen konnte“, schließt Professor Satoh.

Diese Studie ist die erste, die wirklich chirale Phononen in 3D-Materialien identifiziert, die sich deutlich von denen unterscheiden, die zuvor in 2D-Sechskantsystemen beobachtet wurden. Die hier gewonnenen Erkenntnisse könnten neue Forschungen zur Entwicklung von Wegen zur Übertragung der PAM von Photonen auf Elektronenspins durch die Ausbreitung chiraler Phononen in zukünftigen Geräten vorantreiben. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz die Bestimmung der wahren Chiralität eines Kristalls auf verbesserte Weise und stellt ein neues wichtiges Werkzeug für Experimentatoren und Forscher bereit.