Chiral phonons driven by chiral cavities

우리 세상을 구성하는 고체 물질 내부에서 원자들은 결코 진정으로 정지해 있지 않습니다. 완벽하게 단단해 보이는 결정 속에서도 원자들은 마치 작은 무게추가 스프링에 매달린 것처럼 제자리에서 끊임없이 흔들리며 진동합니다. 포논(phonon)이라고 알려진 이러한 진동은 보통 직선 방향이나 단순한 왕복 패턴으로 움직입니다. 그러나 특정 조건 하에서, 이 진동은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 원운동으로 뒤틀릴 수 있습니다. 이렇게 회전할 때, 이들은 마치 회전하는 팽이처럼 각운동량이라는 성질을 운반합니다. 이 회전 운동은 단순히 흥미로운 현상에 그치지 않습니다. 이는 물질 내부에 미세한 자기적 효과를 만들어냅니다. 만약 충분한 양의 이러한 진동이 같은 방향으로 회전한다면, 외부 자석이나 전류 없이도 자기장을 생성할 수 있습니다. 소리 파동이 자성을 만들어내는 이 현상은 물질의 자기적 특성을 제어하는 새로운 길을 열어주며, 잠재적으로 정보를 저장하고 처리하는 데 있어 더 빠르고 효율적인 기술로 이어질 수 있습니다.

수년 동안 과학자들은 이러한 회전 진동, 즉 카이럴 포논(chiral phonons)을 생성하기 위해 노력해 왔으나, 그 방법은 제한적이었습니다. 한 가지 방법은 강력한 자기장을 사용하는 것인데, 이는 특정 자기 재료를 필요로 합니다. 또 다른 방법은 짧고 강렬한 레이저 빛의 펄스를 사용하여 원자를 회전하도록 충격을 주는 것입니다. 레이저 방식은 효과가 있지만, 치명적인 단점이 있습니다. 바로 효과가 매우 일시적이라는 점입니다. 회전 진동은 에너지가 소산됨에 따라 사라지기 전 아주 짧은 시간 동안만 지속됩니다. 이를 계속 유지하려면 연구자들이 물질에 연속적인 펄스 스트림을 계속 쏘아주어야 하는데, 이는 종종 샘플을 사용하기에 너무 뜨거울 정도로 가열해 버립니다. 결과적으로 이는 찰나의 현상, 즉 나타나자마자 사라져 버리는 순간적인 자기의 번쩍임일 뿐입니다.

새로운 연구에서 연구자들은 이러한 회전 진동을 무기한으로 유지할 수 있는 다른 접근 방식을 제안합니다. 빛의 짧은 폭발을 사용하는 대신, 그들은 빛을 가두고 앞뒤로 반사되도록 강제하는 특수 컨테이너, 즉 공동(cavity) 안에 물질을 배치할 것을 제안합니다. 빛이 시계 방향으로 회전하는 광자만을 통과시키는 필터처럼, 특정 방향으로만 빛이 회전하도록 설계된 벽이 있는 방을 상상해 보십시오. 이 공동 안으로 지속적인 레이저를 비추면, 갇힌 빛이 축적되어 물질 속의 원자들과 상호작용하게 됩니다. 공동이 오직 한 종류의 스핀만을 지원하도록 설계되었기 때문에, 이는 자연스럽게 원자들이 동일한 방향으로 진동하도록 유도합니다. 레이저의 지속적인 구동은 에너지가 계속 흐르게 하여, 원자들이 단지 찰나의 순간이 아니라 끊임없이 일제히 회전하는 정상 상태(steady state)를 만들어냅니다.

연구진은 빛과 소리 파동이 이러한 공동 내부에서 어떻게 에너지를 교환하는지를 설명하는 이론적 틀을 사용하여 이 시스템을 모델링했습니다. 그들은 특정 결정에서 발견되는 진동 유형, 즉 원자들이 물질 진동의 중심에서 원을 그리며 움직이는 경우에 집중했습니다. 공동 내의 빛과 이러한 특정 원자 운동 사이의 상호작용을 계산함으로써, 그들은 시스템이 실제로 안정적인 회전 포논의 집단을 생성할 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들의 계산에 따르면, 매우 희미한 LED의 빛과 맞먹는 아주 적은 양의 에너지인 10나노와트의 레이저 출력만으로도 이러한 진동의 지속적인 흐름을 만들어낼 수 있습니다. 이 지속적인 흐름은 약 4밀리테슬라의 유효 자기장을 생성할 것입니다. 이 자기장은 클립을 들어 올릴 만큼 강하지는 않지만, 이전 실험에서 사용된 훨씬 더 강력하고 짧은 수명의 레이저 펄스가 생성하는 자기장과 맞먹는 수준입니다.

이 연구는 또한 공동 설계의 중요성을 강조합니다. 아무 컨테이너나 작동하는 것은 아닙니다. 공동은 반드시 '카이럴(chiral)'해야 하며, 이는 왼쪽 방향과 오른쪽 방향의 스핀을 구별할 수 있어야 함을 의미합니다. 연구진은 만약 공동이 두 종류의 스핀을 모두 지원한다면 효과가 상쇄된다는 것을 보여주었습니다. 하지만 공동이 한 가지 종류의 스킨만을 지원하도록 구축된다면, 원자들은 단 하나의 방향에 정렬하도록 강요됩니다. 그들은 이 효과의 강도가 빛과 원자 진동의 주파수가 얼마나 잘 일치하는지, 그리고 에너지를 얼마나 효율적으로 교환하는지에 달려 있다는 것을 발견했습니다. 이상적인 설정에서 10세제곱 마이크로미터의 샘로를 사용할 때, 시스템은 회전 진동이 지속적으로 유지되는 지점에 도달합니다. 이는 회전하는 진동이 지속적인 레이저 구동에 의해 유지되는 상태를 만들어내며, 레이저 펄스 직후에만 가능했던 지속적인 좌우 비대칭 상태를 구현합니다.

이 작업은 외부 자석을 필요로 하거나 찰나의 펄스에 의존하지 않고 물질의 자기적 특성을 조작하는 새로운 경로를 제시합니다. 연구진은 이러한 카이럴 공동을 사용함으로써 과학자들이 통제되고 안정적인 환경에서 이러한 회전 진동의 거동을 조사할 수 있을 것이라고 제안합니다. 그들은 생성된 자기장이 일정하긴 하지만, 이는 아직 물리적 실험으로부터 직접 측정된 것이 아니라 이론적 모델과 알려진 물질 특성에 기반한 시뮬레이션임을 언급합니다. 그러나 수치상으로는 현재의 기술로 이러한 정상 상태를 만드는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 이러한 진동을 지속적으로 유지할 수 있는 능력은 소리 파동이 자성에 어떻게 영향을 미치는지 연구하는 새로운 실험을 가능하게 하여, 전통적인 전자 기기와 관련된 열과 에너지 손실 없이 원자의 스핀을 이용해 정보를 전달하는 장치로 이어질 수 있습니다. 논문은 결론적으로 이 방법이 이러한 근본적인 현상을 탐구하는 유망한 경로를 제공하며, 찰나의 물리적 번쩍임을 지속적이고 사용 가능한 힘으로 바꿀 수 있다고 밝히고 있습니다.