Measuring chiral phonons

Vaste stoffen zijn geen statische blokken; zelfs de hardste steen is een bruisende stad van atomen, die constant wiebelt en trilt. In de natuurkunde worden deze collectieve trillingen fononen genoemd. Lange tijd beschouwden wetenschappers deze trillingen als eenvoudige heen-en-weer bewegingen, die energie dragen maar geen spin. Echter, een groeiende hoeveelheid onderzoek heeft onthuld dat in bepaalde materialen deze atomaire trillingen kunnen draaien. Wanneer atomen roteren terwijl ze trillen, waardoor specifieke symmetrieën worden doorbroken, creëren ze wat bekend staat als chirale fononen. Deze draaiende trillingen dragen een eigenschap genaamd impulsmoment (angular momentum), vergelijkbaar met een tollende tol, en ze interageren anders met licht, afhankelijk van of dat licht met de klok mee of tegen de klok in draait. Deze ontdekking is niet slechts een curiositeit van de microscopische wereld; het opent deuren naar nieuwe technologieën. Als wetenschappers deze draaiende trillingen kunnen beheersen, zouden ze potentieel snellere computers kunnen bouwen die spin gebruiken in plaats van lading, meer efficiënte manieren kunnen creëren om warmte te verplaatsen, of zelfs chemische reacties kunnen sturen om slechts één specifieke versie van een molecuul te produceren.

Ondanks de opwinding is het meten van deze draaiende trillingen moeilijk geweest. De wetenschappelijke gemeenschap heeft in afzonderlijke silo's gewerkt, waarbij experts in chemie, natuurkunde en materiaalkunde verschillende instrumenten gebruikten om naar hetzelfde fenomeen te zoeken, vaak zonder te beseffen dat ze hetzelfde bestudeerden. Een nieuw perspectief-artikel brengt deze verspreide inspanningen samen en biedt een duidelijke gids over hoe men chirale fononen kan detecteren en wat de huidige instrumenten wel en niet kunnen. De auteurs, een team van onderzoekers van instellingen waaronder het Air Force Research Laboratory, Rice University en de University of Michigan, betogen dat het veld vooruitgang moet boeken door een verenigde aanpak. Ze beoordelen de bestaande methoden, leggen hun sterktes en zwaktes uit, en stellen een pad voor naar nauwkeurigere metingen die het volledige potentieel van deze unieke trillingen kunnen ontsluiten.

Het artikel begint met het verduidelijken waar deze draaiende trillingen zich bevinden. Ze worden gevonden in materialen die van nature chiraal zijn, zoals kristallen gemaakt van linker- of rechterhandige aminozuren, die de bouwstenen van het leven vormen. Maar ze bestaan ook in materialen die er aan de buitenkant perfect symmetrisch uitzien. In deze achirale materialen kunnen de atomen nog steeds tijdelijk draaien als de trilling de symmetrie voor een kort moment doorbreekt, of als een externe kracht zoals een magnetisch veld of een specifieke lichtpuls de beweging triggert. De onderzoekers merken op dat een recente analyse van duizenden kristalstructuren suggereert dat chirale fononen veel gebruikelijker zijn dan voorheen werd aangenomen, en voorkomen in bijna een kwart van alle bekende kristallijne verbindingen. Dit enorme landschap van potentiële materialen betekent dat het vermogen om ze nauwkeurig te meten cruciaal is voor toekomstige toepassingen in spintronica, thermisch beheer en quantumcomputing.

Om deze ongrijpbare trillingen te vinden, hebben wetenschappers verschillende technieken ontwikkeld, elk met zijn eigen voordelen. Een van de meest gevestigde methoden houdt in dat men cirkelvormig gepolariseerd licht op een materiaal schijnt. Omdat chirale fononen draaien, absorberen ze linksdraaiend en rechtsdraaiend licht verschillend. Door dit verschil te meten, bekend als circulair dichroïsme, kunnen onderzoekers de aanwezigheid van deze trillingen detecteren. Dit werkt goed voor trillingen die plaatsvinden op de frequentie van zichtbaar of infrarood licht, maar het wordt veel moeilijker voor langzamere, lagere frequentie trillingen. Voor deze laatste benadrukt het artikel een techniek genaamd terahertz circulair dichroïsme. Deze methode gebruikt lichtgolven die veel langer zijn dan zichtbaar licht, waardoor wetenschappers de langzame, collectieve draaiing van groepen atomen kunnen onderzoeken. De auteurs wijzen erop dat deze techniek bijzonder krachtig is omdat het verschillende soorten draaibewegingen kan onderscheiden die er in standaardmetingen identiek uitzien. Het vereist echter grote monsters en is gevoelig voor water, dat het signaal absorbeert, wat het gebruik met natte biologische monsters moeilijk maakt.

Een ander krachtig instrument dat wordt besproken is een gespecialiseerde vorm van Raman-spectroscopie, waarbij licht van een materiaal afkaatst en van kleur verandert. Door cirkelvormig gepolariseerd licht te gebruiken, kunnen wetenschappers zoeken naar minuscule splitsingen in de frequentie van het verstrooide licht. Als de atomen draaien, zal het licht dat met hen interacteert iets anders verschuiven, afhankelijk van de richting van de draaiing. Het artikel merkt op dat hoewel deze methode precies is, het signaal extreem zwak is, wat vaak uren aan meettijd vereist om een duidelijk resultaat te krijgen. Bovendien zijn de frequentieverschuivingen zo klein dat ze soms kleiner zijn dan de resolutie van standaard laboratoriumapparatuur. Om dit te overwinnen, suggereren de auteurs het gebruik van röntgenstraling in plaats van zichtbaar licht. Een techniek genaamd resonante inelastische röntgenspectroscopie kan dieper in het materiaal doordringen en grotere energieverschillen oplossen, maar het vereist toegang tot enorme, dure deeltjesversnellers, wat de beschikbaarheid beperkt.

Het overzicht onderzoekt ook hoe wetenschappers deze draaiende trillingen op aanvraag kunnen creëren met behulp van ultrasnelle laserpulsen. Door een materiaal te raken met een zeer korte, intense lichtflits, kunnen onderzoekers de atomen dwingen om op een gecoördineerde manier te gaan draaien. Dit stelt hen in staat om de trillingen in realtime te observeren, waarbij ze zien hoe de draaiing interageert met de elektronen en magnetische eigenschappen van het materiaal. In sommige experimenten heeft dit geleid tot de ontdekking dat draaiende trillingen magnetische velden kunnen genereren die sterk genoeg zijn om het magnetisme van een nabijgelegen materiaal om te keren. De auteurs benadrukken dat hoewel deze dynamische experimenten een levendig beeld geven van hoe chirale fononen zich gedragen, ze ook complexiteit introduceren. Het kan moeilijk zijn om te bepalen of een signaal komt van de draaiende atomen of van andere effecten, zoals het opwarmen of van vorm veranderen van het materiaal.

Uiteindelijk concludeert het artikel dat het veld zich op een keerpunt bevindt. De individuele technieken zijn krachtig, maar ze vertellen vaak slechts een deel van het verhaal. De auteurs betogen dat de volgende stap is om deze methoden te combineren, door meerdere instrumenten te gebruiken om hetzelfde materiaal gelijktijdig te bestuderen. Door resultaten van Raman-spectroscopie, terahertz-metingen en ultrasnelle lasers met elkaar te vergelijken, kunnen wetenschappers een compleet en betrouwbaar beeld van chirale fononen opbouwen. Ze pleiten ook voor de ontwikkeling van nieuwe instrumenten die gevoeliger en gemakkelijker te gebruiken zijn, zoals gespecialiseerde oppervlakken die licht kunnen manipuleren zonder dat het monster fysiek gedraaid hoeft te worden. Met een verenigde aanpak en betere instrumenten geloven de onderzoekers dat we binnenkort in staat zullen zijn de kracht van deze draaiende atomaire trillingen te benutten, om een fundamentele nieuwsgierigheid van de natuur te transformeren in een praktische motor voor de technologieën van morgen.