Chiral phonons driven by chiral cavities

Binnen de vaste stoffen die onze wereld vormen, zijn atomen nooit werkelijk stil. Zelfs in een kristal dat er perfect rigide uitziet, trillen de atomen constant, wiebelend op hun plaats als kleine gewichtjes aan veren. Deze trillingen, bekend als fononen, bewegen gewoonlijk in rechte lijnen of eenvoudige heen-en-weerpatronen. Echter, onder specifieke omstandigheden kunnen deze trillingen echter draaien in een cirkelvormige beweging, draaiend ofwel met de klok mee of tegen de klok in. Wanneer ze dit doen, dragen ze een eigenschap genaamd impulsmoment, net als een tollende tol. Deze draaiende beweging is niet slechts een curiositeit; het creëert een subtiel magnetisch effect binnen het materiaal. Als genoeg van deze trillingen in dezelfde richting draaien, kunnen ze een magnetisch veld genereren zonder de noodzaak van externe magneten of elektrische stromen. Dit fenomeen, waarbij geluidsgolven magnetisme creëren, opent de deur naar nieuwe manieren om de magnetische eigenschappen van materialen te controleren, wat potentieel kan leiden tot snellere, efficiëntere technologieën voor het opslaan en verwerken van informatie.

Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd om deze draaiende trillingen, bekend als chirale fononen, te creëren, maar de methoden hiervoor waren beperkt. Eén manier houdt het gebruik van krachtige magnetische velden in, wat specifieke magnetische materialen vereist. Een andere manier is het gebruik van korte, intense laserpulsen om de atomen in een spin te trappen. Hoewel de lasermethode werkt, heeft deze een groot nadeel: het effect is vluchtig. De draaiende trillingen blijven slechts een fractie van een seconde bestaan voordat ze vervagen naarmate de energie wegvloeit. Om ze gaande te houden, zouden onderzoekers het materiaal moeten bestoken met een continue stroom pulsen, wat het monster vaak te veel opwarmt om bruikbaar te zijn. Het resultaat is een transiënt effect, een kortstondige flits van magnetisme die bijna even snel verdwijnt als hij verschijnt.

In een nieuwe studie stellen onderzoekers een andere aanpak voor die deze draaiende trillingen onbepaald kan in stand houden. In plaats van korte lichtflitsen te gebruiken, stellen zij voor het materiaal in een gespecialiseerde container, of caviteit, te plaatsen die licht vasthoudt en het dwingt om heen en weer te stuiteren. Stel je een kamer voor met spiegels op de muren die ontworpen zijn om alleen licht te reflecteren dat in een specifieke richting draait, zoals een filter dat alleen met de klok mee draaiende fotonen doorlaat. Door een constante, continue laser in deze caviteit te schijnen, bouwt het gevangen licht zich op en interageert het met de atomen in het materiaal. Omdat de caviteit is ontworpen om slechts één type spin te ondersteunen, moedigt het de atomen van nature aan om in diezelfde richting te trillen. De continue aandrijving van de laser houdt de energie aan het stromen, waardoor een stabiele toestand ontstaat waarin de atomen constant in unison draaien, in plaats van slechts voor een fractie van een seconde.

De onderzoekers modelleerden dit systeem met behulp van een theoretisch kader dat beschrijft hoe licht- en geluidsgolven energie uitwisselen binnen een dergelijke caviteit. Ze richtten zich op een specifiek type trilling dat wordt gevonden in bepaalde kristallen, waarbij de atomen in een cirkel bewegen in het centrum van het trillingsspectrum van het materiaal. Door de interacties tussen het licht in de caviteit en deze specifieke atomaire bewegingen te berekenen, vonden zij dat het systeem inderdaad een stabiele populatie draaiende fononen kan genereren. Hun berekeningen tonen aan dat ze met een laservermogen van slechts 10 nanowatt — een piepkleine hoeveelheid energie, vergelijkbaar met het licht van een zeer zwakke LED — een constante stroom van deze trillingen kunnen creëren. Deze constante stroom zou een effectief magnetisch veld genereren van ongeveer 4 millitesla. Hoewel dit veld niet sterk genoeg is om paperclips op te tillen, is het wel significant genoeg om vergelijkbaar te zijn met de velden gegenereerd door veel krachtigere, kortstondige laserpulsen die in eerdere experimenten werden gebruikt.

De studie benadrukt ook het belang van het ontwerp van de caviteit. Niet zomaar een container zal werken; de caviteit moet "chiraal" zijn, wat betekent dat hij onderscheid moet maken tussen linksdraaiende en rechtsdraaiende spins. De onderzoekers toonden aan dat als de caviteit beide typen spins ondersteunt, het effect zichzelf opheft. Maar als de caviteit is gebouwd om slechts één soort te ondersteunen, worden de atomen gedwongen om zich met die enkele richting te conformeren. Ze ontdekten dat de sterkte van dit effect afhangt van hoe goed het licht en de atomaire trillingen in frequentie overeenkomen en hoe efficiënt ze energie uitwisselen. In hun geïdealiseerde opstelling, gebruikmakend van een monsterformaat van 10 kubieke micrometer, bereikt het systeem een punt waarop de draaiende trillingen worden in stand gehouden door de continue laser-drive. Dit creëert een permanente, stationaire onbalans tussen met de klok mee en tegen de klok in draaiende trillingen, een conditie die voorheen alleen mogelijk was kort na een laserpuls.

Dit werk suggereert een nieuwe weg voor het manipuleren van magnetische eigenschappen in materialen zonder externe magneten nodig te hebben of te vertrouwen op vluchtige pulsen. De onderzoekers stellen voor dat door deze chirale caviteiten te gebruiken, wetenschappers de gedragingen van deze draaiende trillingen kunnen onderzoeken in een gecontroleerde, stabiele omgeving. Ze merken op dat hoewel het gegenereerde magnetische veld constant is, het nog steeds een simulatie is gebaseerd op theoretische modellen en bekende materiaaleigenschappen, en nog geen directe meting uit een fysiek experiment is. Echter, de cijfers suggereren dat het met de huidige technologie haalbaar is om een dergelijke stabiele toestand te creëren. Het vermogen om deze trillingen continu in stand te houden, zou nieuwe experimenten kunnen mogelijk maken om te bestuderen hoe geluidsgolven magnetisme beïnvloeden, wat potentieel kan leiden tot apparaten die de spin van atomen gebruiken om informatie te dragen zonder de warmte en het energieverlies die geassocieerd worden met traditionele elektronica. Het artikel concludeert dat deze methode een veelbelovende route biedt om deze fundamentele fenomenen te verkennen, waarbij een vluchtige flits van fysica wordt omgezet in een constante, bruikbare kracht.