Fononien kiraalisuuden vaihtaminen sähköllä

Materiaalin atomit ovat harvoin paikallaan. Ne heiluvat edestakaisin kollektiivisissa hilavärähtelyissä, joita kutsutaan fononeiksi. Niiden liikkeessä voi olla myös pyörimistekijä: vuonna 2023 PSI:n tutkijat osoittivat kokeellisesti kiraalisten fononien olemassaolon, jotka osoittavat kätisyyttä riippuen siitä, mihin suuntaan ne pyörivät.

Nyt sama tutkijaryhmä on osoittanut, että sovellettu sähkökenttä voi hallita näiden fononien kätisyyttä.

Vaikka tutkijat tekivät ensimmäisen löydöksensä kvartsista, uusimmassa tutkimuksessaan he loivat pienen rakenteen bariumtitanaattimateriaalista (BaTiO3). Tämä materiaali on ferroelektrinen, mikä tarkoittaa, että sen sähköinen polarisaatio voidaan kääntää sähkökentän avulla. Taiwanilaiset yhteistyökumppanit loivat vain 40 nm:n paksuisia bariumtitanaattikalvoja ja lisäsivät niihin miniatyyrielektrodeja luodakseen pienen rakenteen, joka asetettiin piialustalle.

Tutkijat selvittivät, miten atomivärähtelyjen kätisyys materiaalissa muuttui, kun sähköinen polarisaatio käännettiin edestakaisin. Kun sähköinen polarisaatio käännettiin, myös fononien kätisyys kääntyi päinvastaiseksi.

Mielenkiintoista kyllä, he havaitsivat, että kytkentätila säilyy sähkökentän poistamisen jälkeen. Sähkökenttä tarjoaa siis luotettavan tavan hallita fononien kätisyyttä. Kytkentä saavutettiin huoneenlämmössä ja käyttämällä vain 3 V:n jännitettä – kaksi tekijää, jotka voisivat auttaa tulevassa integroinnissa laitteisiin.

”Tiedämme nyt, että fononien impulssimomenttia voidaan ohjata sähköllä. Tämä avaa tien kohti fononipohjaisia informaatioteknologioita”, sanoo Michael Grimes, artikkelin ensimmäinen kirjoittaja PSI Center for Photon Sciences -keskuksesta.

Koska kiraalisiin fononeihin liittyy pyörreliike, ne kuljettavat pyörivää liikemäärää. Magnetismi on myös läheisesti kytköksissä pyörivään liikemäärään elektronien spin- ja rataliikkeen kautta.

Kiraalisilla fononeilla on siis potentiaalia olla vuorovaikutuksessa elektronisten ja magneettisten tilojen kanssa ja vaikuttaa niihin. ”Kyky kontrolloida fononien kätisyyttä voisi periaatteessa tarjota keinon manipuloida magneettisia tiloja ja siten niihin koodattua informaatiota”, selittää tutkimusta johtanut fyysikko Urs Staub PSI Center for Photon Sciences -keskuksesta.

Käytännön vaikutusten lisäksi aihe on osa laajempaa kysymystä kiraalisuuden alkuperästä elämässä.

”Kiraalifononit ovat kiehtovia, koska ne koskettavat luonnon perustavanlaatuista kysymystä, jota ymmärretään hyvin huonosti: miksi kätisyys tapahtuu?” Staub lisää. ”Biologia on kätistä – mutta miksi se tapahtuu, on mysteeri. Onko magnetismilla – tai onko sillä – ollut – roolia tässä, siitä keskustellaan kiivaasti. Kiraalifononit yhdistävät atomien liikkeen magnetismiin.”

Aiheesta aiemmin:

Saada fononit vuorovaikuttamaan

Tutkijat löysivät kiraalisia fononeja