Chiral phonons driven by chiral cavities

在构成我们世界的固体材料内部，原子从未真正静止。即使是在看起来完美刚性的晶体中，原子也在不断地振动，就像系在弹簧上的微型砝码一样在原地摇晃。这些被称为“声子”的振动通常沿直线运动或呈现简单的往复模式。然而，在特定条件下，这些振动可以扭转成圆周运动，进行顺时针或逆时针旋转。当它们这样做时，它们会携带一种被称为“角动量”的属性，就像旋转的陀螺一样。这种旋转运动不仅仅是一个奇闻异事；它会在材料内部产生一种微妙的磁效应。如果足够多的这类振动朝同一个方向旋转，它们可以在不需要任何外部磁铁或电流的情况下产生磁场。这种由声波产生磁性的现象，为控制材料的磁学特性开启了一扇大门，可能导致更快速、更高效的信息存储与处理技术。

多年来，科学家们一直试图创造这些被称为“手性声子”的旋转振动，但方法一直受到限制。一种方法是使用强磁场，这需要特定的磁性材料。另一种方法是使用短促而强烈的激光脉冲，将原子“踢”入旋转状态。虽然激光法有效，但它有一个主要的缺点：这种效应是转瞬即逝的。这些旋转振动在能量耗散之前只能持续极短的一瞬间。为了维持它们的运行，研究人员需要持续发射脉冲流，但这往往会导致样品过热，从而变得不再实用。其结果是一种瞬态效应，即一种在出现后几乎立即消失的瞬时磁闪。

在一项新的研究中，研究人员提出了一种不同的方法，可以使这些旋转振动无限期地维持下去。他们建议，与其使用短促的光脉冲，不如将材料放置在一个特殊的容器（或称“腔体”）中，利用该腔体捕捉并迫使光线来回反射。想象一个墙壁上装有镜子的房间，这些镜子被设计为只能反射特定方向旋转的光，就像一个只允许顺时针旋转的光子通过的过滤器。通过向这个腔体内照射稳定的连续激光，被捕获的光会不断累积并与材料中的原子发生相互作用。由于腔体被设计为仅支持一种类型的自旋，它会自然而然地引导原子朝相同的方向振动。激光的连续驱动使能量不断流动，创造了一个稳态，使原子能够不断地同步旋转，而不是仅仅持续一瞬间。

研究人员使用一个理论框架对该系统进行了建模，该框架描述了在这样的腔体内光波与声波如何交换能量。他们专注于某些晶体中发现的一种特定振动，在这种振动中，原子在材料振动谱的中心做圆周运动。通过计算腔体中的光与这些特定原子运动之间的相互作用，他们发现该系统确实可以产生稳定的旋转声子群。他们的计算表明，使用低至10纳瓦特的激光功率（极小的能量，相当于非常暗淡的LED灯发出的光），就可以创造出稳定的旋转振动流。这种稳定的流将产生约4毫特斯拉的有效磁场。虽然这个磁场强度不足以吸起回形针，但它已足以与以往实验中使用的更强大、更短促的激光脉冲所产生的磁场相媲美。

该研究还强调了腔体设计的重要性。并非任何容器都适用；腔体必须是“手性的”，这意味着它必须能够区分左手旋和右手旋。研究人员指出，如果腔体同时支持两种类型的自旋，效应就会相互抵消。但如果腔体被构建为仅支持其中一种，原子就会被迫与该单一方向对齐。他们发现，这种效应的强度取决于光与原子振动的频率匹配程度，以及它们交换能量的效率。在他们的理想化设置中，使用10立方微米的样本尺寸，系统达到了由连续激光驱动来维持旋转振动的状态。这创造了一个永久的、稳态的顺时针与逆时针振动之间的不平衡状态，而这种状态此前仅在激光脉冲后的极短瞬间才可能实现。

这项工作表明，可以通过操纵这些旋转振动来改变材料的磁学特性，而无需外部磁铁或依赖转瞬即逝的脉冲。研究人员提出，通过使用这些手性腔体，科学家可以研究这些旋转振动在受控且稳定的环境中的行为。他们指出，尽管产生的磁场是稳定的，但这仍然是基于理论模型和已知材料属性的模拟，尚未进行物理实验的直接测量。然而，数据表明，利用现有技术，创造这种稳态是可行的。维持这些振动连续运行的能力，可以让我们开展新的实验来研究声波如何影响磁性，这可能导致开发出利用原子自旋来传输信息、且不像传统电子设备那样产生热量和能量损失的设备。论文最后总结道，这种方法为探索这些基本现象提供了一条充满前景的路径，将物理学中的瞬时闪现转化为一种稳定的、可利用的力量。