Studie behauptet, die Debatte beizulegen

Ergebnisse veröffentlicht in Natur Schlichten Sie den Streit: Phononen können chiral sein. Dieses grundlegende Konzept, das mithilfe kreisförmigen Röntgenlichts entdeckt wurde, sieht vor, dass sich Phononen wie ein Korkenzieher durch Quarz drehen.

Überall in der Natur und auf allen Skalen findet man Beispiele für Chiralität – oder Händigkeit. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein Sandwich mit zwei Händen zu essen, die keine Enantiomere – nicht überlagerbare Spiegelbilder – voneinander sind. Bedenken Sie die pharmakologischen Katastrophen, die durch die Verabreichung des falschen Medikamentenantiomers verursacht werden, oder, auf subatomarer Ebene, die Bedeutung des Konzepts der Parität in der Teilchenphysik. Dank einer neuen Studie unter der Leitung von Forschern des Paul Scherrer Instituts PSI wissen wir nun, dass auch Phononen diese Eigenschaft besitzen können.

Ein Phonon ist ein Quasiteilchen, das die kollektiven Schwingungsanregungen der Atome in einem Kristallgitter beschreibt; Stellen Sie es sich als den irischen Riverdance der Atome vor. Physiker haben vorhergesagt, dass Phononen, wenn sie Chiralität zeigen könnten, wichtige Auswirkungen auf die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Materialien haben könnten. Mit dem rasanten Anstieg der Forschung zu topologischen Materialien, die merkwürdige elektronische und magnetische Oberflächeneigenschaften aufweisen, ist in den letzten Jahren das Interesse an chiralen Phononen gewachsen. Ein experimenteller Beweis für ihre Existenz ist jedoch bislang schwer zu fassen.

Was Phononen chiral macht, sind die Schritte ihres Tanzes. In der neuen Studie tanzen die Atomschwingungen eine Drehung, die sich wie ein Korkenzieher vorwärts bewegt. Diese Korkenzieherbewegung ist einer der Gründe dafür, dass es einen solchen Drang gab, das Phänomen zu entdecken. Wenn sich Phononen auf diese Weise drehen können, wie die Drahtspule, die einen Elektromagneten bildet, könnten sie möglicherweise ein Magnetfeld in einem Material erzeugen.

Eine neue Sicht auf das Problem

Diese Möglichkeit motivierte die Gruppe von Urs Staub am PSI, der die Studie leitete. „Da wir uns an der Schnittstelle zwischen ultraschneller Röntgenwissenschaft und Materialforschung befinden, könnten wir das Problem aus einem anderen Blickwinkel angehen“, sagt er. Die Forscher sind daran interessiert, chirale Modi von Materialien mithilfe von chiralem Licht zu manipulieren – Licht, das zirkular polarisiert ist.

Mit diesem Licht konnten die Forscher ihren Beweis erbringen. Anhand von Quarz, einem der bekanntesten Mineralien, dessen Atome – Silizium und Sauerstoff – eine chirale Struktur bilden, zeigten sie, wie zirkular polarisiertes Licht an chirale Phononen koppelt. Dazu nutzten sie eine Technik namens resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) an der Diamond Light Source im Vereinigten Königreich. Ergänzt wurde dies durch unterstützende theoretische Beschreibungen, wie der Prozess chirale Phononen erzeugen und deren Nachweis ermöglichen würde, von Gruppen an der ETH Zürich (Carl Romao und Nicola Spaldin) und am MPI Dresden (Jeroen van den Brink).

„So funktioniert das in der Wissenschaft normalerweise nicht“

In ihrem Experiment scheint zirkular polarisiertes Licht auf Quarz. Die Photonen des Lichts besitzen einen Drehimpuls, den sie auf das Atomgitter übertragen und so die Schwingungen in ihre Korkenzieherbewegung versetzen. Die Drehrichtung der Phononen hängt von der intrinsischen Chiralität des Quarzkristalls ab. Während sich die Phononen drehen, geben sie Energie in Form von Streulicht ab, das nachgewiesen werden kann.

Stellen Sie sich vor, Sie stehen auf einem Kreisverkehr und werfen einen Frisbee. Wenn Sie das Frisbee mit der gleichen Bewegungsrichtung wie das Karussell werfen, würden Sie erwarten, dass es zischt. Wenn Sie es in die andere Richtung werfen, dreht es sich weniger, da sich der Drehimpuls des Kreisels und des Frisbee aufheben. Auf die gleiche Weise wird das Signal verstärkt, wenn sich das zirkular polarisierte Licht auf die gleiche Weise dreht wie das Phonon, das es anregt, und chirale Phononen könnten nachgewiesen werden.

Ein gut geplantes Experiment, sorgfältige theoretische Berechnungen, und dann passierte etwas Seltsames: Fast alles lief nach Plan. Sobald sie die Ergebnisse analysierten, war der Unterschied in der Reaktion beim Umdrehen der Chiralität des Lichts nicht zu leugnen.

„Die Ergebnisse waren fast sofort überzeugend, insbesondere als wir den Unterschied mit den anderen Quarz-Enantiomeren verglichen“, erinnert sich PSI-Wissenschaftler und Erstautor der Veröffentlichung Hiroki Ueda. Ueda saß an seinem Computer, um die Daten zu analysieren, und war der Erste, der die Ergebnisse sah: „Ich habe ständig meine Analysecodes überprüft, um sicherzustellen, dass sie wahr sind.“ Staub betont: „Das ist nicht normal! Das funktioniert in der Wissenschaft normalerweise nicht so!“

Bei der Suche nach chiralen Phononen kam es mehrfach zu Fehlalarmen. Wird die Debatte damit entschieden? „Ja, ich denke schon, das ist das Schöne an diesem Werk“, meint Staub, dessen Meinung auch die Rezensenten bei teilten Natur. „Weil es einfach und schön und unkompliziert ist. Es ist offensichtlich. Es ist so einfach, es ist offensichtlich, dass dies die chirale Bewegung ist.“