Chiral Surface Phonons

In elk vast kristal zijn de atomen nooit werkelijk stil. Zelfs in een bevroren blok zout of een stuk metaal trillen de atomen constant, alsof ze op hun plaats wiebelen als kleine veertjes. Wetenschappers noemen deze collectieve trillingen fononen. Hoewel we deze trillingen vaak simpelweg beschouwen als warmte of geluid dat door een materiaal reist, kunnen ze ook een specifieke soort spin bezitten. Wanneer de atomen in een kristal in een cirkel of een ellips bewegen in plaats van alleen maar heen en weer, wordt de trilling chiraal genoemd, wat betekent dat deze een duidelijke handigheid heeft, vergelijkbaar met hoe een linkerhand verschilt van een rechterhand. Decennialang geloofden onderzoekers dat dergelijke draaiende trillingen alleen konden bestaan in kristallen die al asymmetrisch waren of geen centrum van symmetrie hadden. Als een materiaal in zijn bulkvorm perfect gebalanceerd was, suggereerden de wetten van de fysica dat elke draaiende beweging zichzelf zou opheffen, waardoor er geen netto rotatie overbleef.

Dit begrip heeft echter een cruciaal detail over het hoofd gezien: de rand van het materiaal. Wanneer een kristal wordt gesneden om een oppervlak te vormen, wordt de perfecte balans van het binnenste doorbroken. De atomen aan de uiterste rand hebben niet langer buren aan alle kanten, en deze verandering in omgeving verandert de manier waarop zij kunnen bewegen. Een nieuwe studie door Mike Pols en Nicola A. Spaldin aan de ETH Zürich laat zien dat deze gebroken symmetrie aan het oppervlak voldoende is om deze draaiende trillingen toe te laten, zelfs in materialen die in hun centrum perfect gebalanceerd zijn. De onderzoekers gebruikten krachtige computersimulaties om aan te tonen dat oppervlakken fungeren als een verborgen bron van deze chiraal fononen, en dat hun draaiende beweging direct aan de rand van het materiaal kleine magnetische velden genereert.

Om dit te onderzoeken, richtte het team zich op een eenvoudig, zeer symmettisch type kristal dat bekend staat als rotszout, waartoe ook gewoon keukenzout behoort. Ze bouwden een digitaal model van een dunne plak, of plaat, van dit materiaal, bestaande uit elf atomlagen. In het midden van deze plak gedragen de atomen zich zoals in een groot blok zout, trillend op manieren die geen netto spin creëren. Maar aan de uiterste boven- en onderkant van de lagen verandert het verhaal. De onderzoekers berekenden hoe de atomen over de gehele plak zouden trillen en ontdekten dat specifieke trillingen aan het oppervlak gevangen raakten. In deze oppervlaktemodi trilden de atomen niet alleen op en neer; ze volgden cirkelvormige paden. Op het bovenste oppervlak draaien de atomen misschien in een kloksgewijze richting, terwijl ze op het onderste oppervlak tegenkloksgewijs draaien. Deze cirkelvormige beweging betekent dat de trilling impulsmoment draagt, een eigenschap die gewoonlijk geassocieerd wordt met een tol.

De onderzoekers keken vervolgens naar wat er gebeurt wanneer deze draaiende atomen bewegen. Omdat de atomen in het zoutkristal een elektrische lading dragen, is hun cirkelvormige beweging gelijk aan een kleine elektrische stroom die in een lus vloeit. Net zoals een stroom in een draad een magnetisch veld creëert, genereren deze draaiende atomen een magnetisch moment, een klein magneetje, direct aan het oppervlak van het kristal. De simulaties toonden aan dat voor een specifieke trilling bij een frequentie van 4,0 terahertz, de natriumionen aan het oppervlak een cirkel beschreven, wat een meetbaar magnetisch veld creëerde dat langs het oppervlak wijst. Bij een iets lagere frequentie van 3,4 terahertz voerden de chloorionen een vergelijkbare cirkeldans uit, wat eveneens een magnetisch veld genereerde. Cruciaal is dat omdat de boven- en onderoppervlakken in tegengestelde richtingen draaien, de magnetische velden die zij creëren ook in tegengestelde richtheden wijzen, waardoor ze elkaar bekijken naar de hele plak annuleren. Echter, als men slechts het bovenste oppervlak zou isoleren, zou er een duidelijk magnetisch signaal aanwezig zijn.

De studie stopte niet bij zout. De onderzoekers testten andere materialen om te zien of dit fenomeen uniek was voor rotszout of dat het een algemene regel is voor alle kristallen. Ze voerden vergelijkbare simulaties uit op andere rotszoutverbindingen, zoals rubidiumfluoride en cesiumhydride, en vonden hetzelfde gedrag: oppervlakstrillingen die draaien en magnetische momenten creëren. Ze keken zelfs naar materialen met zeer verschillende structuren, zoals koper en grafiet. In koper, een metaal met slechts één type atoom, vertoonden de oppervlakstrillingen ook een chiraal, draaiend karakter. In grafiet, een gelaagd materiaal, vertoonden de oppervlaksatomen ook deze cirkelvormige beweging, hoewel het effect zwakker was door de losse verbinding tussen de lagen. Het enige verschil was dat in koper en grafiet, omdat de atomen niet op dezelfde manier elektrisch geladen zijn als in zout, de draaiende beweging geen magnetisch moment genereerde. Dit bevestigde dat de chiraliteit zelf een universeel kenmerk is van kristaloppervlakken, terwijl het magnetische effect afhangt van de specifieke chemie van het materiaal.

De bevindingen suggereren dat de oppervlakken van alle kristallijne materialen waarschijnlijk gastheren zijn voor deze chiraal trillingen, een eigenschap die over het hoofd is gezien omdat deze verborgen is door de symmetrie van de bulk van het materiaal. De onderzoekers leggen uit dat het breken van de symmetrie aan het oppervlak de regels opheft die dergelijke draaiende bewegingen normaal gesproken verbieden. Deze ontdekking verandert hoe we de meting van materialen kunnen benaderen. Als wetenschappers technieken gebruiken die gevoelig zijn voor het oppervlak, moeten ze mogelijk rekening houden met deze draaiende trillingen en hun bijbehorende magnetische velden, die de resultaten kunnen beïnvloeden. De studie wijst ook op nieuwe manieren om magnetische effecten te generen zonder traditionele magneten te gebruiken, door in plaats daarvan specifieke trillingen aan het oppervlak te exciteren. Hoewel de magnetische velden gegenereerd in deze simulaties klein zijn, opent het principe dat een eenvoudig kristaloppervlak draaiende, magnetische trillingen kan huisvesten een nieuw venster naar het gedrag van materie aan haar grenzen. Het werk vestigt de regel dat chiraliteit niet alleen een eigenschap is van exotische, asymmetrische kristallen, maar een fundamenteel kenmerk van de randen van bijna elk vast materiaal.