La chiralité est la rupture des symétries de réflexion et d’inversion. En termes simples, c’est lorsque les images miroir d’un objet ne peuvent pas être superposées les unes sur les autres. Un exemple courant est celui de vos deux mains – bien que des images miroir l’une de l’autre, elles ne peuvent jamais se chevaucher. La chiralité apparaît à tous les niveaux dans la nature et est omniprésente.
En plus de la chiralité statique, la chiralité peut également se produire en raison d’un mouvement dynamique, y compris la rotation. Dans cet esprit, nous pouvons distinguer la vraie et la fausse chiralité. Un système est vraiment chiral si – lors de la traduction – l’inversion de l’espace n’équivaut pas à une inversion du temps combinée à une rotation spatiale appropriée.
Les phonons sont des quanta (ou petits paquets) d’énergie associés à la vibration des atomes dans un réseau cristallin. Récemment, des phonons aux propriétés chirales ont été théorisés et découverts expérimentalement dans des matériaux bidimensionnels (2D) tels que le diséléniure de tungstène. Les phonons chiraux découverts sont des mouvements atomiques en rotation, mais pas en propagation. Mais, les phonons véritablement chiraux seraient des mouvements atomiques qui sont à la fois en rotation et en propagation, et ceux-ci n’ont jamais été observés dans des systèmes massifs tridimensionnels (3D).
Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par des scientifiques de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) a identifié des phonons véritablement chiraux, à la fois théoriquement et expérimentalement. Leurs travaux sont publiés dans Physique naturelle. L’équipe, dirigée par le professeur Takuya Satoh du département de physique de Tokyo Tech, a observé les phonons chiraux dans le cinabre (α-HgS). Ceci a été réalisé en utilisant une combinaison de calculs de premiers principes et une technique expérimentale appelée diffusion Raman circulairement polarisée.
« Les structures chirales peuvent être sondées à l’aide de techniques chirales. Ainsi, l’utilisation d’une lumière polarisée circulairement, qui a sa propre latéralité (c’est-à-dire, droitier ou gaucher), est essentielle. Les structures chirales dynamiques peuvent être cartographiées à l’aide d’un moment pseudo-angulaire (PAM ). Le pseudo-momentum et le PAM proviennent des facteurs de phase acquis respectivement par des opérations de translation discrète et de symétrie de rotation », explique le professeur Satoh.
La nouvelle approche expérimentale des chercheurs leur a également permis de sonder les traits fondamentaux de PAM. Ils ont découvert que la loi de conservation de PAM, l’une des lois clés de la physique, s’applique entre les photons polarisés circulairement et les phonons chiraux.
« Notre travail fournit également une méthode optique pour identifier la sensibilité des matériaux chiraux à l’aide de PAM. À savoir, nous pouvons déterminer la sensibilité des matériaux avec une meilleure résolution que la diffraction des rayons X (XRD). De plus, XRD nécessite un cristal suffisamment grand , est envahissante et peut être destructrice. La diffusion Raman circulairement polarisée, d’autre part, nous a permis de déterminer la chiralité de structures que la XRD ne pouvait pas, sans contact et de manière non destructive », conclut le professeur Satoh.
Cette étude est la première à identifier des phonons véritablement chiraux dans des matériaux 3D, qui sont clairement distincts de ceux observés précédemment dans des systèmes hexagonaux 2D. Les connaissances acquises ici pourraient conduire de nouvelles recherches sur le développement de moyens de transférer le PAM des photons aux spins électroniques via la propagation des phonons chiraux dans les futurs dispositifs. De plus, cette approche permet la détermination de la véritable chiralité d’un cristal d’une manière améliorée, fournissant un nouvel outil critique pour les expérimentateurs et les chercheurs.
Plus d’information:
Kyosuke Ishito et al, Phonons vraiment chiraux dans α-HgS, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01790-x