Fononien tutkimus tuo uusia tapoja hallita materiaaleja17.11.2025
Äskettäin Nature Physics -lehdessä julkaistu katsausartikkeli kuvaa tämän nousevan tutkimusalueen kehitystä Yksi artikkelin pääkirjoittajista on Chalmersin yliopiston apulaisprofessori Matthias Geilhufe. Mitä ovat kiraaliset fononit ja missä ja milloin niitä esiintyy? Miten ne syntyvät? ”Meitä ympäröivät materiaalit koostuvat valtavasta määrästä ioneja ja elektroneja. Usein nämä ionit ovat järjestäytyneet säännölliseksi kidehilaksi. Tällaisessa kidehilassa ionit ovat järjestäytyneet säännöllisen ruudukon muotoon. Ionit eivät kuitenkaan pysy paikoillaan hila-asemissaan. Koska ionit ovat vuorovaikutuksessa keskenään, niiden liikettä voidaan kuvata aaltoina. Näitä hilaviritysaaltoja voidaan kuvata kvanttimekaniikan avulla, ja niitä kutsutaan fononeiksi,” toteaa Matthias Geilhufe. ”Kiraalisuus on luonnon peruskäsite, joka viittaa kappaleisiin, joita ei voida asettaa päällekkäin peilikuvansa kanssa. Kemiassa molekyylin peilikuvamuotoja kutsutaan enantiomeereiksi. Kiraaliset fononit ovat hilavirityksiä, joissa on kaksi erillistä enantiomeeriä. Ne voivat syntyä luonnollisesti kiteen symmetrian vuoksi tai ne voidaan virittää laserkenttien avulla.” Mihin tietämys kiraalisista fononeista voisi johtaa tulevaisuudessa? ”Kiraalisten fononien symmetria mahdollistaa niiden kytkeytymisen materiaalin magnetoitumiseen tai käytettyihin magneettikenttiin. Viimeisten viiden vuoden aikana on kehitetty useita kokeita, jotka osoittavat, että tämä kytkentä on huomattavasti vahvempi kuin aiemmin on ajateltu. Joillakin kiraalisilla fononeilla on pyörimismäärä, joka tuo tehokkaan magneettikentän. Esimerkiksi tämän kentän on osoitettu olevan riittävän voimakas hallitsemaan materiaalin magnetoitumista – ratkaiseva vaatimus tulevaisuuden datan tallennukselle tietokoneissa. Erityisesti tehokkaan magneettikentän luominen kiraalisilla fononeilla vaatii paljon vähemmän energiaa verrattuna perinteisiin magneettikenttiin.” ”Jopa kiraalisten fononien, joilla ei ole impulssimomenttia – niin kutsuttujen geometristen kiraalisten fononien – on osoitettu kytkeytyvän elektronien spiniin CISS-ilmiön (chirality-Induced Spin Selectivity) kautta. CISS-ilmiö on tärkeä myös kemiassa, jossa molekyylien ominaisuudet voivat riippua suuresti enantiomeerin tyypistä. Jos pystymme hallitsemaan geometrisia kiraalisia fononeja, voi olla mahdollista kehittää katalyyttejä, jotka erottavat kaksi enantiomeeriä laserkenttien avulla.” Mikä kiraalisissa fononeissa on mielestäsi mielenkiintoisinta? ”Yhdessä Chalmersin teknillisen yliopiston tutkimusryhmäni kanssa olemme kehittäneet teoreettisia malleja, jotka selittävät, miten kiraaliset fononit voivat johtaa voimakkaaseen kytkentään magnetisaation kanssa. Uskon, että tätä ilmiötä voitaisiin käyttää paitsi uusissa teknologioissa, mutta myös selittää tiettyjä faasimuutoksia materiaaleissa, jotka ovat edelleen huonosti ymmärrettyjä. Olemme erityisen kiinnostuneita kiraalisten fononien roolista monikappalejärjestelmissä ja kiraalisten fononien yleistyksistä, kuten pyörivissä järjestelmissä.” vastailee Geilhufe aiheen kysymyksiin yliopistonsa tiedotteessa. Aiheesta aiemmin: Fononit ja magnonit kaveraavat |
Nanotekniikka on tulevaisuuden lupaus. Näillä sivuilla seurataan elektroniikkaa sekä tieto- ja sähkötekniikkaa sivuavia nanoteknisiä tiedeuutisia.
Kiraalisten fononien tutkimuksen ala antaa tutkijoille uusia näkemyksiä materiaalien peruskäyttäytymisestä ja rakenteista. Fononien kiraalisuus voisi tasoittaa tietä uusille menetelmille materiaalien ominaisuuksien hallitsemiseksi ja informaation koodaamiseksi kvanttitasolla, millä on vaikutuksia muun muassa kvanttiteknologioihin, elektroniikkaan, energiansiirtoon ja anturiteknologiaan.